导语 2023年3月10日发表在《Journal of Medicinal Chemistry》的《Discovery of a Potent, Cooperative, and Selective SOS1 PROTAC ZZ151 with In Vivo Antitumor Efficacy in KRAS-Mutant Cancers》文献报道了一种高效选择性SOS1 PROTAC ZZ151的设计、合成及生物活性研究。PROTAC ZZ151的Linker的长度与组成对降解活性的影响显著。本文发现的ZZ151能够快速、特异且有效地诱导SOS1降解，对KRAS突变驱动的广泛癌细胞显示出强大的抗增殖活性，在小鼠体内KRAS^G12D和KRAS^G12V突变异种移植模型中显示出优异的抗癌活性。

 

总而言之，ZZ151是开发针对KRAS突变体的有前途的先导化合物。

 

图1

 

前言

 

随着人们对PROTAC技术进行药物发现的极大兴趣，目前已有至少15种化合物进入到临床试验。PROTAC分子通常由靶蛋白配体、Linker和E3连接酶配体组成，其中，Linker结构的改变对优化其活性至关重要。Linker细微的结构改变可能会造成PROTAC降解活性的显著改变，而这一机制有待深入研究。

 

SOS1是KRAS的必需鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)，催化促进KRAS及其下游信号通路的激活，激活的KRAS通过与SOS1的变构位点结合，连续增强SOS1的GEF功能。SOS1功能的调控被认为是设计克服KRAS驱动的癌症的间接抑制剂的一个有潜力的策略。图2为代表性的小分子激动剂和抑制剂。然而，激动剂可以激活KRAS并诱导细胞中下游信号的双相调制;与SOS1催化位点结合的抑制剂不能有效地解离与SOS1变构位点结合的KRAS蛋白。作者之前报道的文献得到的PROTAC 化合物5相比于小分子激动剂1具有更好的细胞活性，同时诱导SOS1的降解，然而5的细胞效力还有待提升。

 

因此，作者报道了基于抑制剂的SOS1 PROTACs的设计与合成，其E3连接酶为VHL，通过对Linker长度和组成进行系统的结构修饰，提供了一种高效、快速、协同和选择性的SOS1降解剂ZZ151 (8c)。

 

 

图2

 

SOS1 PROTAC降解剂ZZ151的设计与生物学评价。

 

基于抑制剂3与SOS1的共晶结构，作者设计并合成了多种不同Linker长度和组成的PROTACs 8（图3）。

 

图3

 

通过在NCI−H358细胞中0.1 μM和1 μM孵育24 h后筛选PROTACs 8的降解活性（图4）。结果表明，在0.1 μM和1.0 μM条件下，含5个亚甲基的最佳化合物8c (ZZ151)对SOS1降解的诱导率分别为83.9和98.2%。剂量依赖性降解实验再次证实ZZ151为最强的降解剂，DC₅₀值为15.7 nM, Dmax为100%。

 

图4

 

为了探究Linker长度和组成对降解活性差异的机制，作者通过HTRF试验发现化合物7不能诱导SOS1和VCB的接近，但最强的降解物8c (ZZ151)获得了最高的最大三元配合物形成水平，8h的最大HTRF信号略低(图5)。其他降解活性降低的化合物始终表现出较弱的最大HTRF信号，这表明它们形成所需三元配合物的机会较小。为了研究VCB不存在(K_D^bnary)或存在(K_D^ternary)时PROTACs的SOS1结合亲和力，基于荧光偏振(FP)的位移测定实验发现最有效的化合物8c表现出最高的协同因子数值，表明SOS1和VCB之间形成了非常有利的相互作用。

 

综上所述，作者发现合成的协同性较高的PROTAC诱导了更有利的SOS1−PROTAC−E3三元配合物的形成，从而导致了更高的SOS1降解活性和最大的蛋白质降解。因此，作者假设新形成的SOS1 - VCB相互作用在很大程度上依赖于PROTAC的结构构象，而PROTAC的结构构象是由其Linker控制的。PROTAC Linker化学性质的细微变化影响三元配合物形成的合作，从而导致不同的降解效率。

 

图5

 

ZZ151通过VHL依赖的蛋白酶体降解途径诱导SOS1降解。

 

为了在细胞水平上进一步探索ZZ151的作用机制，作者首先合成了阴性对照化合物ZZ061。ZZ061的VHL配体的羟脯氨酸部分的羟基上具有倒置立体化学，在KRAS^G12C突变体和KRAS^G12D突变体的细胞中，均不能降解浓度为10 μM的SOS1(图6A,D)，表明VHL E3连接酶在ZZ151诱导的SOS1降解中起着必要的作用。同样，在敲除细胞内VHL的表达后，ZZ151在两个被测细胞中的无SOS1降解活性(图6B,E)。此外，在VHL配体、小分子SOS1抑制剂7和蛋白酶体抑制剂MG132预处理4小时后，ZZ151诱导的SOS1降解在两种细胞系中得到挽救(图6C,F)。这些结果共同证明ZZ151对SOS1的VHL依赖性蛋白酶体降解。

 

图6

 

ZZ151在KRAS突变癌细胞中表现出优异的抗增殖活性

 

首先，作者评估了ZZ151在具有不同KRAS突变状态的广泛癌细胞系中的SOS1降解谱。ZZ151在大部分含有KRAS突变的细胞中强烈诱导SOS1降解，DC₅₀值为8.41 ~ 41.4 nM(图7A)，在Q61H突变NCI−H460细胞中诱导SOS1蛋白降解的效率略低，DC₅₀值为81.7 nM。动力学降解实验(图7B,C)表明ZZ151是一种快速SOS1降解剂。

 

因此，作者对ZZ151在多种KRAS突变细胞中的抗增殖特性进行了研究。与化合物7和BI-3406相比，ZZ151表现最好的多种KRAS突变细胞的增殖抑制活性，IC₅₀值为6.97 − 105 nM，这与它的SOS1降解活性一致。阴性对照ZZ061在被测细胞中保留了较弱的抗增殖活性，提示ZZ151对细胞增殖的抑制可能是其SOS1降解和抑制作用的协同作用。

 

图7

 

ZZ151特异性诱导SOS1降解

 

为了评估ZZ151对细胞内蛋白质降解的选择性，并确定其潜在的脱靶靶点，作者采用定量蛋白质组学方法检测了，发现ZZ151在7300多个蛋白质中对SOS1蛋白的选择性降解程度最高（图8）。仅有两个下调的蛋白ZCCHC10和ALKBH4的生物学功能的报道较少，值得进一步研究。

 

图8

 

ZZ151在KRAS ^G12D和KRAS^G12V突变的小鼠模型中的体内疗效

 

ZZ151的药代动力学特性显示腹腔注射10mg /kg后，ZZ151显示高血浆暴露(AUC = 14,090 h·ng/mL)、较长的半衰期 (T_1/2 = 9.69 h)，同时无急性毒性和体重减轻现象。

 

因此，在PK和毒性特征可接受的情况下，ZZ151进入了体内抗肿瘤疗效评估阶段。在AsPC-1 (KRAS^G12D)胰腺癌异种移植小鼠模型中，ZZ151显著抑制肿瘤生长。与BI-3406相比，ZZ151抑制肿瘤生长的效果更强(图9A)。在结直肠癌SW620 (KRAS^G12V)模型中，ZZ151在20 mg/kg/qd剂量下表现出与BI-3406在50 mg/kg/bid相同的效力(图9B)。在小鼠研究过程中，统计上没有观察到体重减轻。

 

SOS1下调已被证明可以抑制KRAS下游信号的磷酸化，通过western blotting(图9C)和免疫组化(图9E)实验，ZZ151剂量依赖性地诱导了SOS1降解，随后导致磷酸化的ERK表达降低。BI-3406作为一种小分子SOS1抑制剂，不影响SOS1水平，但能有效抑制肿瘤组织中ERK磷酸化(图9C,E)。在KRSAS^G12V突变SW620异种移植小鼠的肿瘤组织中也观察到同样的趋势(图9D,F)。

 

总之，ZZ151在异种移植小鼠模型中表现出对KRAS^G12D和KRAS^G12V驱动的肿瘤生长的良好抑制作用。

 

图9

 

结语

 

在本研究中，作者报道了一系列新的基于抑制剂的SOS1 PROTACs，能够有效地降解携带各种KRAS突变的广泛癌细胞中的SOS1。Linker部分的细微变化导致了SOS1降解活性的显著改变，强调了形成协同SOS1−PROTAC−VCB三元配合物在设计有效PROTAC中的重要性。本研究中观察到的现象进一步表明，为了寻找新靶标的第一个PROTAC，可能需要对连接体长度和组成进行系统的研究。此外，最佳PROTAC ZZ151对SOS1的降解具有快速和高选择性。在KRAS^G12D突变的胰腺癌和KRAS^G12V突变的结直肠癌异种移植模型中，肿瘤生长抑制也显示出剂量依赖性反应。因此ZZ151是一种很有前途的靶向KRAS突变体的先导化合物，值得进一步的药物开发。

 

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.3c00075

Tags： 【JMC】一种高效、选择性靶向SOS1的降解剂ZZ151，体内对KRAS突变型肿瘤有效