2024年1月16日，美国圣犹达儿童研究医院Marcus Fischer, Jeffery M. Klco, Zoran Rankovic三位教授的团队在Nature Communications上共同发表了题为Selective CK1α degraders exert antiproliferative activity against a broad range of human cancer cell lines的文章。CK1α是一种广泛表达的胞质丝氨酸/苏氨酸激酶，参与调控Wnt/β-连环蛋白和p53信号转导。在这项工作中，作者通过对专有分子胶库的筛选，发现能有效降解CK1α, IKZF1和IKZF3的SJ7095。通过构效关系研究和理性设计，开发了体内外均能选择性降解CK1α蛋白的SJ3149，SJ3149显示出广谱的抗增殖活性，对血液瘤和实体瘤都具有良好的抗增殖活性。
作者针对9种儿童癌细胞系（MB002、MB004、HD-MB03、MHHCALL-4、MOLM-13、TF-1、HEL、OCI-AML3和AML193）对含有3630种化合物的分子胶库进行筛选。通过对癌细胞系的活性谱进行聚类，发现一个系列对MOLM-13细胞具有细胞毒性和高度选择性（图1a，红框），由此选择化合物SJ7095进行进一步的分析（图1b）。
图1
作者接下来研究SJ7095的抗增殖效果是否是CRBN依赖性的。在配体竞争实验中，40μM的lenalidomide通过使CRBN结合位点饱和，可以消除SJ7095的抗增殖活性。在CRBN敲除的MOLM-13细胞中，也观察到SJ7095的活性消失。这些结果表明，SJ7095 的抗增殖效果是依赖于CRBN的。
接下来，作者通过TMT定量蛋白质组学实验以确定SJ7095诱导降解的底物。结果发现，在9000个鉴定蛋白中只有3个蛋白被显著降解，分别是CK1α、IKZF1和IKZF3（图2a）。免疫印迹分析结果也证明SJ7095诱导了CK1α蛋白水平的剂量依赖性降低，DC50值为15 nM，且CK1α的降解伴随着p21的剂量依赖性的上调（图2b）。同时，已有数据和实验证明，MOLM-13细胞对CK1α有很强的依赖性，这使观察到的SJ7095对该细胞系的生存能力效应合理化。
图2
基于先前报道的lenalidomide与CRBN/DDB1、CK1α复合物的晶体结构，作者进行分子动力学研究，模拟了SJ7095与其复合物的结合模式。基于此，作者优先考虑替换C5以增加与CK1α的β-发夹环中的残基的相互作用，而不干扰C7与G40的相互作用（图1c）。作者合成了一系列在C5取代的衍生物，其中化合物SJ0040在MOLM-13细胞上表现出最好的活性。作者又用一系列芳杂环生物电子等排体对SJ0040的苯甲酰胺进行替换，其中化合物SJ3149表现出最强的CK1α降解活性。IKZF1 HiBit实验证明，lenalidomide和SJ7095能诱导IKZF1蛋白的显著降解，而SJ0040和SJ3149对IKZF1蛋白丰度都没有明显的影响（图2d），验证了优化策略。CK1α HiBit实验证明，与lenalidomide相比，三种化合物对CK1α的降解效力逐步提高（图2e, f），最强的SJ3149在4 h时诱导CK1α降解的DC50值为6 nM。
为了评估SJ3149在不同人类癌症中的作用和潜在的治疗应用，作者对115个人类癌细胞系进行了分析，其中86个是实体肿瘤，29个是血液细胞系。结果表明，SJ3149能有效抑制AML细胞系和来自不同血液肿瘤的细胞系的活力，如B细胞和T细胞急性淋巴母细胞白血病（图3b）。同时，SJ3149也能有效抑制来自实体肿瘤的多种细胞系的活力，包括乳腺、软组织和男性和女性生殖系统肿瘤（图3c）。进一步实验证明，SJ3149需要活跃的野生型p53信号通路才能在细胞系中发挥其抑制作用，它会优先靶向TP53和某些TP53突变的细胞系，与Nutlin-3a相比具有明显的效力和选择性差异。
图3
为了进一步了解SJ3149相比lenalidomide更高降解能力的分子基础，作者对CK1α + CRBN + DDB1 + SJ3149四元复合物进行了晶体学研究（图4a）。与lenalidomide和CK1α的相互作用不同的是，SJ3149与CK1α形成了几种直接的相互作用（图4b），包括SJ3149和K18形成氢键，SJ3149与CK1α的degron环之间有疏水接触，这些相互作用是SJ3149与lenalidomide相比更高的三元复合物稳定性和CK1α降解能力的分子基础。
图4
此外，作者还在CD1雌性小鼠中对SJ3149进行了药代动力学实验，在体内进行活性降解研究。结果表明，两组处理组的CK1α均有显著降解（图5）。
图5
总结：作者通过对专有分子胶库的筛选，发现能有效降解CK1α, IKZF1和IKZF3的SJ7095，通过构效关系研究进一步开发了体内外均能选择性降解CK1α蛋白的SJ3149。SJ3149显示出广谱的抗增殖活性，对血液瘤和实体瘤都具有良好的抗增殖活性。
本文作者：LT
