新一代DYRK2激酶选择性小分子抑制剂

来源：BioArt

雷晓光/肖俊宇/Jack Dixon合作开发出新一代DYRK2激酶选择性小分子抑制剂

多发性骨髓瘤(Multiple myeloma，MM)和三阴性乳腺癌(triple-negative breast cancer，TNBC)是两种截然不同的肿瘤类型，预计仅在美国，2018年两者合计将有大于7万例新增病例，并导致超过1.6万人死亡（American Cancer Society 2018 Facts and Figures）。MM起源于恶性浆细胞增殖【1,2】，而TNBC则是一种由缺乏雌激素、孕酮和HER2受体导致的对大多数激素疗法具有耐药性的高度转移性乳腺癌【3】。尽管MM和TNBC在生理表现或目前的药物干预方面没有明显的相似之处，但它们都依赖于26S蛋白酶体功能来维持正常的肿瘤生存。这一依赖性也成为了TNBC和MM的“阿喀琉斯之踵”。FDA已经批准bortezomib、carfilzomib和ixazomib等数个蛋白酶体抑制剂以治疗MM，但这类药物的使用通常会导致癌症耐药性与复发，最终使治疗失败，因此亟需开发克服耐药的新的治疗方法。

26S蛋白酶体在其不同的亚基上有>300个保守的磷酸化位点，但参与相关修饰的激酶和磷酸酶还远未获得充分研究【4-6】。美国UCSD的Dixon课题组之前研究发现双特异性酪氨酸磷酸化调控激酶2（DYRK2）是一个蛋白酶体调控激酶【5】。它磷酸化蛋白酶体RPT3亚基上的Thr25位点，增强蛋白酶体活性；抑制这一磷酸化过程则显著降低蛋白酶体活性，进而导致TNBC小鼠异种移植模型中肿瘤细胞周期进展受阻、生长减缓【5,7】。

2019年11月22日，北京大学雷晓光教授、肖俊宇研究员及Dixon教授课题组合作在PNAS杂志上发表了的最新合作研究成果Inhibition of Dual-Specificity Tyrosine phosphorylation-Regulated Kinase 2 Perturbs 26S Proteasome-addicted Neoplastic Progression。在此研究中，他们开发了一种高效、高选择性的DYRK2小分子抑制剂，并使用临床病人样本在动物模型上确认了该分子的治疗效果，证明了DYRK2作为肿瘤治疗靶点的可行性。令人可喜的是，基于新的作用机制，该小分子可以克服蛋白酶体抑制剂的耐药性，从而为相关癌症治疗提供了新的思路。

为了确定DYRK2可以作为TNBC治疗的潜在靶点，作者首先观测了DYRK2在TNBC患者组织中的差异表达状态。患者来源的TNBC肿瘤组织上的DYRK2的免疫组化学结果显示，与相邻的正常乳腺组织相比，肿瘤组织中DYRK2存在明显的过表达。TNBC被认为是高度异质性的，因此作者进一步采用生物信息学方法来鉴定DYRK2、以及TNBC发病状态中DYRK2 及底物RPT3、蛋白酶体核心亚基PSMB5的表达状态。在乳腺癌数据库中，作者选择了115例TNBC患者，并与11例正常组织对比，发现其中TNBC患者中的DYRK2表达水平显著上调。同样，RPT3和PSMB5也有明显的过表达。数据库GSE6477的例子表明，相对于正常组织，MM细胞的DYRK2、RPT3和PSMB5同样有高表达的情况。敲除DYRK2会导致蛋白酶体活性降低30％；而小鼠异种移植模型表明DYRK2敲除明显降低了肿瘤负荷，这一现象随着野生型DYRK2的再次导入则被完全恢复。

在确认了DYRK2的促癌功能后，作者进一步尝试开发DYRK2激酶的小分子抑制剂，最终发现了获得了LDN192960。该化合物对DYRK2的IC50为13 nM，且在对超过140个激酶的分析中显示了很强的选择性。作者也得到了该化合物与DYRK2的共晶结构，证明了LDN192960通过与ATP活性位点结合而抑制DYRK2。LDN192960处理MM和TNBC细胞导致20-40％蛋白酶体活性降低。在细胞毒性实验上，LDN192960对MM与TMBC细胞表现出了1-10 μM EC50的活性，而非癌AHH1细胞则对超过30 μM的LDN192960不敏感。有趣的是，作者还观察到在对蛋白酶体活性“上瘾”的多发性骨髓瘤细胞系MM.1S中，LDN192960-ixazomib联用产生了明显的累加毒性效果，而非癌细胞AHH1、FT190、FT240、MCF10A和184B5在用LDN192960和ixazomib处理后却并不展示这一现象。与对照组相比，患者来源的CD138+ MM细胞经LDN192960处理后蛋白酶体活性也明显降低，同时对ixazomib的处理也更加敏感。由此，作者证明LDN192960确实通过抑制蛋白酶体活性来杀伤肿瘤细胞。

最终，作者发现经过LDN192960的治疗，携带骨髓瘤的小鼠肿瘤体积明显缩写，骨密度提高，存活时间平均从19天延长到了28.5天。而在DYRK2敲除的模型上LDN192960的治疗仅有中等的疗效。另外，三倍于治疗量LDN192960喂养并未使小鼠体重明显减轻。作者还通过适应连续的蛋白酶体抑制作用培养了bortezomib耐药的细胞系，证明LDN192960介导的细胞毒性是独立于bortezomib耐药性的，并在小鼠模型上证明LDN192960对bortezomib耐药肿瘤同样有效。

综上所述，本工作验证了蛋白酶体调节因子DYRK2作为多发性骨髓瘤和三阴性乳腺癌的治疗靶标的可行性，并报道了一种高效、高选择性的DYRK2小分子抑制剂，在细胞与动物水平该验证了该分子的抑癌作用。由于使用了抑制蛋白酶体调节因子这一新颖的机制，该小分子抑制剂可以克服多发性骨髓瘤和三阴性乳腺癌对蛋白酶体抑制剂产生的耐药性。该工作表明靶向26S蛋白酶体调节因子有望成为针对多发性骨髓瘤和三阴性乳腺癌的新治疗策略，为克服肿瘤耐药性难题提供了新的思路。

据悉，美国UCSD的Sourav Banerjee博士、北京大学博士研究生魏田田，王珏为该论文的并列第一作者，北京大学雷晓光教授、北京大学肖俊宇研究员、和美国UCSD的Jack E. Dixon教授为文章的共同通讯作者。

原文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2019/11/20/1912033116

参考文献

1. J. H. Wright, A Case of Multiple Myeloma. J Boston Soc Med Sci 4, 195-204 195 (1900).

2. A. L. Goldberg, Development of proteasome inhibitors as research tools and cancer drugs. The Journal of cell biology 199, 583-588 (2012).

3. G. Bianchini, J. M. Balko, I. A. Mayer, M. E. Sanders, L. Gianni, Triple-negative breast cancer: challenges and opportunities of a heterogeneous disease. Nature reviews. Clinical oncology 13, 674-690 (2016).

4. X. Guo et al., UBLCP1 is a 26S proteasome phosphatase that regulates nuclear proteasome activity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108, 18649-18654 (2011).

5. X. Guo et al., Site-specific proteasome phosphorylation controls cell proliferation and tumorigenesis. Nature Cell Biology 18, 202-212 (2016).

6. J. J. S. VerPlank, S. Lokireddy, J. Zhao, A. L. Goldberg, 26S Proteasomes are rapidly activated by diverse hormones and physiological states that raise cAMP and cause Rpn6 phosphorylation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 10.1073/pnas.1809254116 (2019).

7. S. Banerjee et al., Ancient drug curcumin impedes 26S proteasome activity by direct inhibition of dual-specificity tyrosine-regulated kinase 2. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 115, 8155-8160 (2018).