α-突觸核蛋白（α-synuclein,α-syn）的淀粉樣相變聚集是帕金森?。≒arkinson’s disease,PD）的核心病理特征之一。α-Syn病理性聚集體能夠在神經(jīng)元之間傳播，破壞細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，干擾自噬途徑，并誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥與細(xì)胞死亡。近年來，劉聰課題組參與發(fā)現(xiàn)了多個(gè)關(guān)鍵蛋白（如膜受體LAG3、APLP1和RAGE，以及自噬關(guān)鍵蛋白LC3B等）通過特異性結(jié)合α-syn病理聚集體介導(dǎo)了這些不同的病理過程^1-3。此外，研究鑒定出α-syn聚集體的C末端以無序結(jié)構(gòu)狀態(tài)覆蓋在病理纖維聚集體的表面，成為纖維聚集體與不同蛋白識(shí)別結(jié)合的關(guān)鍵區(qū)域^1,4,5。因此，發(fā)展小分子靶向C末端無序區(qū)，阻斷α-syn病理聚集體與相應(yīng)受體蛋白的互作，有望為PD藥物研發(fā)和治療提供潛在的新方向。

近日，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰研究員、譚立研究員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)項(xiàng)晟祺教授合作，在Journal of the American Chemical Society發(fā)表了題為“Inhibitor Development for α?Synuclein Fibril’s Disordered Region to Alleviate Parkinson’s Disease Pathology”的研究文章。該研究通過高通量篩選與理性設(shè)計(jì)，首次發(fā)現(xiàn)了能夠結(jié)合α-syn病理纖維C末端關(guān)鍵無序區(qū)的活性小分子Givinostat（GS）及其衍生物。相應(yīng)的活性小分子能有效阻斷病理纖維與LAG3和RAGE等關(guān)鍵受體的相互作用，并抑制α-syn纖維在神經(jīng)元中的病理性傳播及其促炎癥效應(yīng)。候選化合物展現(xiàn)出良好的臨床應(yīng)用潛力，為PD的治療提供了全新策略。

圖1.高通量篩選鑒定Givinostat（GS）分子能夠阻斷α-syn纖維與受體的結(jié)合

在本研究中，研究人員首先建立了基于酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)（ELISA）的高通量篩選方法，旨在尋找能夠阻斷α-syn病理纖維C末端關(guān)鍵無序區(qū)與受體結(jié)合的小分子抑制劑（圖1a）。通過該方法，Givinostat（GS）被篩選為主要候選分子（圖1b-c），進(jìn)一步的活性驗(yàn)證表明，GS能夠有效抑制α-syn C末端無序區(qū)與LAG3和RAGE受體的直接相互作用（圖1d-e）。

研究人員進(jìn)一步開展了結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系研究（SAR）。首先，對GS的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，GS的結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：（1）鋅結(jié)合的異羥肟酸基團(tuán)，（2）增強(qiáng)選擇性的功能基團(tuán)（圖2）。在優(yōu)化過程中，GS被分為A-E五個(gè)部分，并逐步進(jìn)行調(diào)整。最初嘗試替換E部分的異羥肟酸基團(tuán)或?qū)ζ溥M(jìn)行修飾，但這些改動(dòng)均導(dǎo)致分子活性喪失或大幅下降，進(jìn)一步確認(rèn)了異羥肟酸基團(tuán)的關(guān)鍵作用。然而，對其位置的調(diào)整（如meta位類似物）成功保留了活性，同時(shí)降低了毒性。D部分引入給電子/吸電子基團(tuán)未顯著改變活性，但C部分的改造表明，用脲基替換氨基甲酰鍵可提高化學(xué)穩(wěn)定性。最終，通過對B和A部分的進(jìn)一步修飾，優(yōu)化出了如GSD-16-24等具有更強(qiáng)抑制效果的化合物，并顯著降低了其對神經(jīng)元的毒性。

圖2. 通過結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系研究（SAR）設(shè)計(jì)GS的系列衍生物。

在機(jī)制研究中，研究人員首先通過等溫滴定量熱法（ITC）發(fā)現(xiàn)，GS及其衍生物GSD-16-24直接作用于α-syn纖維的C末端無序區(qū)域，而非作用于LAG3和RAGE受體。隨后，研究人員通過液態(tài)核磁共振、固態(tài)核磁共振及冷凍電鏡等技術(shù)，進(jìn)一步揭示了GSD-16-24與α-syn纖維C末端無序區(qū)域中具體的氨基酸相互作用位點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn)這些結(jié)合位點(diǎn)與α-syn纖維結(jié)合受體的位點(diǎn)高度重合，表明GSD-16-24通過與受體直接競爭發(fā)揮抑制作用（圖3）。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，GSD-16-24能夠有效阻止α-syn纖維與原代皮層神經(jīng)元及BV2細(xì)胞的結(jié)合，從而抑制纖維在神經(jīng)元中的傳播及其促炎癥效應(yīng)。

圖3. 通過冷凍電鏡和固態(tài)NMR等實(shí)驗(yàn)確定GSD-16-24結(jié)合于α-syn纖維的C末端無序區(qū)域。

綜上所述，本研究首次實(shí)現(xiàn)了特異性靶向α-syn病理纖維核心外圍無序結(jié)構(gòu)區(qū)的小分子化合物的設(shè)計(jì)和研發(fā)，并通過活性分子阻斷α-syn病理纖維與神經(jīng)元及小膠質(zhì)細(xì)胞膜受體的結(jié)合，有效抑制纖維的傳播和神經(jīng)炎癥活性。這一研究為靶向病理蛋白無序區(qū)的小分子抑制劑的設(shè)計(jì)與研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，并為開發(fā)具有帕金森病治療潛力的小分子藥物提供了新的思路。

上海交通大學(xué)Bio-X研究院研究生章沈慶、陶友琦博士及中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士生項(xiàng)淮江，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李娟博士為該論文的共同第一作者。劉聰研究員、譚立研究員與項(xiàng)晟祺教授為共同通訊作者。本項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院及上海市科委的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c08869

參考文獻(xiàn)：

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