靶向Pim蛋白激酶抗腫瘤藥物的研究進展及設想

劉浩秋

1.四川大學生命科學學院生物技術系，成都 610065；2.四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室，成都 610065

靶向Pim蛋白激酶抗腫瘤藥物的研究進展及設想

劉浩秋1，2

1.四川大學生命科學學院生物技術系，成都 610065；2.四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室，成都 610065

Pim原癌基因編碼的絲/蘇氨酸蛋白激酶在惡性血液病和實體瘤的發生發展過程中普遍過度表達，并被證明在細胞的增殖、分化、新陳代謝中起到重要調控作用。為了弄清Pim蛋白激酶的特性，以指導合成高成藥性小分析靶向抑制劑，文章回顧了近年來國外在Pim蛋白激酶領域最新研究成果，著重分析了Pim激酶在分子層面上的功能和作用機制，以及Pim蛋白激酶抑制劑開發的前提條件，包括已獲得的Pim蛋白三維晶體結構和Pim基因完整序列，提出了通過基于生物信息學、藥理學的靶向小分子藥物的設計、合成和篩選，人工合成Pim蛋白激酶抑制劑，研發新型抗腫瘤藥物的思路。

Pim；小分子藥物設計；蛋白激酶抑制劑

在不到20年的時間內，我國惡性腫瘤在死亡原因中所占的比例已經從12.6%上升至17.9%，每年新增患者數達170萬，另有130余萬人死于癌癥[1]。腫瘤化療技術的強毒副作用、耐藥性等問題目前依然是臨床腫瘤藥物治療中的主要難題。

闡明腫瘤疾病的分子機制，理解腫瘤細胞的信號轉導網絡，有益于設計靶向性優良的抗腫瘤藥物。近幾年來，隨著生命科學研究的迅猛發展，基于腫瘤特異性分子設計的靶向抗腫瘤小分子合成藥物越來越受到科學界的關注，其中以蛋白激酶為目的靶點的抗腫瘤小分子合成已成為全球的研究熱點[2]。

1 Pim蛋白激酶研究進展

Pim激酶是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，屬于與鈣/鈣調蛋白調節激酶相關的蛋白激酶家族，已發現Pim-1、Pim-2 和Pim-3三個成員。在ATP結合區域，Pim激酶家族的三個成員有60～70%的序列是一致的，它們都是原癌基因pim編碼。

Pim最早是在莫洛尼小鼠白血病病毒（MoMuLV）實驗過程中被發現[3]，其后被證實與細胞增殖、分化、凋亡以及腫瘤發生聯系緊密（圖1）。Aho等[4]研究發現Pim-1激酶可磷酸化凋亡蛋白Bad的第112個絲氨酸，使其喪失活性，進而保護細胞不受Bad凋亡效應的影響。

Pim-1不僅有抑制凋亡的功能，研究還發現Pim-1激酶能夠加速細胞周期的進程。Pim-2蛋白由于與Pim-1具有高度的同源性而具有相似功能。Bin等[5]研究發現，Pim-2的加強表達雖不能直接調控Bcl-2、Bcl-xl、Bad蛋白的表達，但也能使凋亡蛋白Bad第l12個絲氨酸磷酸化，阻礙Bad-Bcl-Xl的信號轉導，從而逆轉Bad誘導的細胞凋亡。Pim家族的新成員Pim-3研究成果相對較少，但其在功能上也與Pim-1、Pim-2相似，可以磷酸化非常多的特異性底物，在細胞周期和細胞凋亡進程中具有重要調控作用[6]，可以阻礙胰腺瘤細胞的凋亡，促進胰腺腫瘤的形成[7]。

Pim-1、Pim-2和Pim-3已經被發現在很多實體瘤和惡性血液病中過度表達。Xu等[8]研究發現，Pim-1可作為一種新的生物標記預測前列腺癌的進程；Dai等[9]研究發現，前列腺癌細胞核和細胞質中Pim-2過度表達，此外Pim-1、Pim-2激酶與酪氨酸激酶抑制劑的耐藥性有關；Deneen[10]和Fuji[11]分別報道了Pim-3在人類肝癌細胞和肝癌細胞組織中過度表達，它可以促使Ewing家族腫瘤細胞的生長；Li等[7]發現Pim-3能夠在人類胰腺癌和結腸癌中過度表達；Zheng 等[12]通過檢測發現，Pim-3表達可用于預測胃癌患者的預后。

上述研究顯示，Pim激酶可能成為相關抗腫瘤藥物的重要靶標，Pim激酶小分子抑制劑在癌癥治療方面具有一定價值。

圖1 Pim蛋白激酶功能

2 Pim蛋白激酶抑制劑研究進展

目前，只有少數選擇性Pim激酶抑制劑被報道，其主要以Pim-1和Pim-2為靶標。這些Pim激酶抑制劑具有截然不同的化學結構，且酶抑制活性一般在兩位數的納摩級水平，如十字孢堿有機銣絡合物[13-14]、取代吡啶酮類化合物[15]、黃酮類化合物[7，16]和喹啉二酮類化合物[17]。雖然前人已經在該領域進行了一系列的研究，但發展一類具有新結構的選擇性Pim激酶抑制劑同時針對Pim-1、Pim-2和Pim-3靶標仍然是一項具有挑戰性的工作，而且越來越受到人們的關注，也正是由于Pim激酶作為關鍵的調節因素在腫瘤形成的各個方面都發揮重要作用，所以提高Pim激酶抑制劑的選擇性不僅僅是基礎研究的需要，更是發展新的抗腫瘤試劑的需要。在美國已有數家公司和研究所進行Pim抑制劑的研究，其中有的已經進入臨床試驗階段，如咪唑并噠嗪類衍生物SGI-1776（SuperGen）[18]，即是Pim激酶的強抑制劑，正在研究用于治療激素難治性和多西紫杉醇難治性前列腺癌。

Pim-1的基因序列已經測定，其蛋白分子結構也已經發表（PDB蛋白數據庫中編號：1XWS）。對Pim激酶晶體結構中的結合位點以及其與底物的相互作用進行細致分析，弄清結合位點的相關屬性，明確關鍵結合殘基以及可能的結合區域，將促進開展基于結構的小分子藥物設計或者結構改造的研究。一些課題組已經通過Pim-1的晶體結構設計了具有全新結構的選擇性Pim激酶抑制劑[13-14，19-20]。Pim激酶具有唯一獨特的結構（圖2），在Pim激酶鉸鏈區域有一個新構架，其中包含一個ATP結合位點和一個額外的氨基酸殘基，這些在其他蛋白激酶結構中未被發現，這個殘基是脯氨酸-123，由于缺乏氫鍵供體，它不能夠與ATP形成氫鍵。Pim激酶結構的這個特征決定了其與Pim激酶抑制劑的結合模式[20]。

圖2 Pim-1蛋白激酶晶體結構

3 進一步研究的設計

當前抗腫瘤藥物的較強毒副作用以及耐藥性問題很難滿足臨床腫瘤治療的要求。腫瘤疾病的分子機制和細胞信號轉導網絡領域的最新成果顯示，Pim蛋白激酶與細胞增殖[21]、分化、凋亡、腫瘤發生之間關系緊密[22]，并在很多實體瘤和惡性血液病[23-24]中過度表達，因此，可以基于Pim蛋白激酶晶體結構通過計算機輔助藥物設計小分子抑制劑，用于抗腫瘤活性的篩選[25-26]。以蛋白激酶為目標靶點的抗腫瘤藥物合成已經成為國際熱點，但目前國內還沒有任何一家制藥公司或科研院所發表關于Pim激酶抑制劑用于癌癥治療的報道。

本研究基于文獻整合與理論分析，結合前期科研工作基礎及四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室硬件條件，對靶點Pim蛋白激酶進行合理靶向小分子藥物設計，結合Pim-1蛋白晶體結構的對接研究，在藥效團模型和傳統藥物化學設計思路指導下，優選化合物并進行化學結構優化，構建新一類小分子化合物，有效靶向抑制Pim蛋白激酶，從而達到抑制腫瘤細胞增殖的作用。通過對候選化合物庫進行生物信息學和化學信息學的虛擬篩選，系統地對體外酶水平和細胞水平進行實驗，用統計學工具系統回歸分析所得數據，進一步研究構效關系，提煉3D藥效團，最終篩選出1～2個成藥性高的化合物，期望通過已有的蛋白質晶體結構設計出有活性的抗腫瘤化合物。

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The research progress and design of the anticancer drugs targeting the Pim protein kinases

LIU Hao-qiu1,2
1.Department of Biotechnology,College of Life Science of Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.National Key Laboratory of Biological Treatment of West China Hospital in Sichuan University,Chengdu 610065,China

The serine/theronine protein kinases encoded by proto-oncogene Pim are overexpressed in the genesis of a range of hematological malignancies and solid cancers,and were proved to have played a significant regulatory role in the cell proliferation,differentiation and metabolism.In order to clarify the characters of Pim protein kinases to guide the synthesis of the anti-tumor molecular drugs with potentdruggability,this review summarized the latest research results in recent years abroad in this field and analyzed the functions and biochemical mechanism of Pim protein kinases in the molecular level.Furthermore,this review focused on the prerequisite of the development of Pim protein kinase inhibitors,especially the three-dimensional crystal structures and complete Pim gene sequences,proposing a promising molecular drug design for the synthesis of Pim protein kinase inhibitors through the pharmacological method of targeting,synthesis and screening.

Pim;Micro-molecular drug design;Protein kinase inhibitors

R979.1

A

1674-4721（2014）010（a）-0191-03

2014-08-22本文編輯：祁海文）

四川大學“大學生創新創業訓練計劃”校級項目（20141006）