近日，清華大學藥學院饒燏團隊與浙江大學藥學院應美丹團隊合作，發現了一類新型CDK2選擇性降解劑，實現了高效而低毒的AML細胞分化治療效果，為AML治療提供一種潜在的分化治療方案。
週期蛋白依賴性激酶（CDK）是一組絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，具有較短的N末端（β-折疊）和較長的C末端（a-螺旋）。CDK通過與相應週期蛋白cyclin和週期蛋白依賴性激酶啟動激酶（CAK）產生相互作用，在細胞週期的各個階段發揮作用，參與細胞的生長、分化、增殖等生理過程，介導細胞週期的有序進行。CDK2是CDK家族的一員，廣泛表達於哺乳動物細胞內，但其功能可被其它CDK家族成員代償，囙此對於大多數正常細胞和組織CDK2是非必須的。然而，在腫瘤發生、細胞分化、減數分裂和聽力損傷修復等過程中CDK2卻發揮著重要功能，近年來的研究發現CDK2敲降可誘導AML細胞產生分化。然而，傳統的小分子抑制劑難以實現選擇性的CDK2抑制，也不能消除CDK2的非酶活功能，藥效不足且副作用嚴重。基因編輯科技則在應用效率和臨床使用中存在諸多不足。雖然認為CDK2是良好的藥靶，但現有工具難以對其實現高效的選擇性調控。
PROTAC科技是一種利用小分子誘導靶蛋白泛素化，利用泛素化蛋白酶體途徑實現靶向蛋白敲降的科技。PROTAC由靶蛋白配體、E3泛素連接酶配體和連接鏈Linker構成（圖1）。該小分子可誘導該靶蛋白與E3泛素連接酶相互作用，從而實現靶蛋白的非天然泛素化，被泛素化的靶蛋白進一步被蛋白酶體識別而降解。PROTAC科技實現的降解不僅依賴於小分子的親和力，也需要靶蛋白和E3泛素連接酶在空間上的特异性相互作用。囙此，在合理設計和充分優化的條件下，PROTAC科技與傳統小分子抑制劑相比較在理論上可實現更好的選擇性。現時高選擇性CDK2敲降PROTAC分子還未有文獻報導。
圖1.PROTAC科技的原理
如何實現CDK2的選擇性敲降是這篇工作中作者解决的核心技術問題。親和力水准是PROTAC發揮功能的基礎，為保持與CDK2蛋白的親和力，研究者對分子結構進行了充分的類比，與CDK2存在重要相互作用的結構單元需保留而暴露於溶劑區的位點則用於Linker延伸，這樣的設計可最大程度的保留與CDK2的親和力水准，而降低與非靶向蛋白的親和力。歷經多輪反覆運算設計與分子結構優化，最終基於篩選出的配體，成功發展出以J2為配體的CDK2選擇性降解劑CPS2（圖2）。
圖2.CDK2降解劑的設計、優化和活性
研究者開發的這類新型CDK2降解劑有以下特點。適用範圍廣：在這篇工作中，作者嘗試測試了10餘種細胞系，CPS2均可在納摩爾濃度下實現對CDK2有效敲降。選擇性佳：較小分子抑制劑，CPS2的選擇性有顯著提升。作者運用了激酶組學、激酶活性測試、蛋白質組學和western blot等試驗，證明了當使用CPS2處理細胞時，在可觀測的蛋白範圍內，CDK2的降解最為顯著，而對其它蛋白沒有顯著影響（圖3）。
圖3.CPS2在多種細胞系內誘導CDK2的高效選擇性降解
CPS2解决了CDK2抑制劑選擇性的問題，對正常細胞（Beas2b、293T細胞系）的毒性較小，但CPS2可通過抑制腫瘤細胞增殖的管道產生抗腫瘤效果（圖4）。作者也進行了在動物體內急毒實驗，結果表明CPS2的安全性遠高於其母核抑制劑J2（圖5）。
圖4.CPS2對正常細胞影響較小，但可阻滯腫瘤細胞快速增殖
圖5.CPS2的體內安全性較高
研究者將CPS2進一步應用於AML分化治療中。在CPS2處理下，AML細胞的分化名額顯著升高，細胞形態更成熟（圖6）。同時，作者進行了多組Rescue實驗，證明了CPS2通過引起細胞內CDK2的降解執行分化誘導功能。為充分論證CPS2作為CDK2選擇性降解劑在AML臨床治療上的重要意義，研究者採集了多株AML病人原代細胞，並加入CPS2進行處理。結果表明，原代細胞在藥物的處理下也可產生明顯分化，充分證明了CPS2的潜在臨床應用意義。
圖6.CPS2處理下，AML細胞產生明顯分化
圖7.CPS2的功能特色
在該工作中，研究者開發了一類CDK2選擇性降解劑，並初步研究了該分子的安全性和有效性。研究者將這項新的發現應用於AML分化治療領域，為AML治療提供了一種潜在的高效、低毒的新型治療方案（圖7）。除AML治療外，該類降解劑或可在CDK2相關的其它疾病治療領域也發揮重要功能。
以上研究於3月5日在《自然·化學生物學》（Nature Chemical Biology）期刊上發表題為《首個用於AML分化治療的CDK2選擇性降解劑的發現》（“Discovery of a first-in-class CDK2 selective degrader for AML differentiation therapy”）的研究論文。
清華大學博士生王立國、浙江大學博士後邵雪晶、清華大學博士生鐘天白、清華大學博士生吳越和浙江大學博士生許愛笑為該工作共同第一作者，清華大學饒燏教授和浙江大學應美丹教授為共同通訊作者。該研究得到了清華大學吳畏教授、陶慶華教授、李海濤教授、中國科學院北京基因組研究所王前飛教授的大力幫助。該研究得到了中國國家自然科學基金會、國家重大科技專項“重大新藥開發”和國家重點研發計畫的大力支持。
論文連結：
https://doi.org/10.1038/s41589-021-00742-5
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