線粒體擁有獨立的蛋白質翻譯和降解系統，其中人線粒體ClpP（HsClpP）是線粒體基質中高度保守的絲氨酸蛋白酶，參與維持線粒體內蛋白質穩態。近年來，隨著對HsClpP生物學功能研究的不斷深入，越來越多的證據表明HsClpP在多種腫瘤的發生發展中發揮著重要的作用。肺鱗癌患者約占非小細胞肺癌患者人數的30%，目前肺鱗癌的靶向治療效果差，免疫治療策略的總體響應率較低，亟需新靶點新策略拓寬新藥發現研究。
HsClpP激動劑是目前靶向ClpP抗腫瘤的重要途徑。由于ClpP蛋白在人和細菌中高度保守，如何實現選擇性激動HsClpP，而不影響人體共生菌ClpP功能，保證肺鱗癌治療的安全性，是該研究方向上的挑戰之一。目前已報導的HsClpP激動劑均無選擇性或者缺乏選擇性研究，酶學上有選擇性的抑制劑（D9）沒有細胞活性。因此，目前尚無HsClpP選擇性激動抗腫瘤的報導。
中國科學院上海藥物研究所楊財廣課題組長期在ClpP蛋白酶的結構、作用機制以及小分子激動劑等方面開展研究工作，取得了系列進展（ACS Chem. Biol., 2016, 11, 1964; Cell Chem. Biol., 2022, 29, 1396; Nat. Commun., 2022, 13, 6909）。2023年11月3日，楊財廣課題組在Nature Communications在線發表題為 “Selective activator of human ClpP triggers cell cycle arrest to inhibit lung squamous cell carcinoma”的研究論文，為設計HsClpP選擇性激動劑提供新策略。
本研究利用高通量篩選發現趨化因子受體CCR1拮抗劑BX471可以選擇性激動HsClpP。結構優化之后獲得一類具有柔性骨架的HsClpP激動劑，其中化合物ZK53能夠結合HsClpP并激動其酶學活性。HsClpP/ZK53的復合物晶體結構揭示了小分子的作用機制。與已報導的大多具有剛性骨架結構的HsClpP激動劑不同，ZK53不具有ONC201的多環并環結構，也沒有ADEP4中復雜的環肽類骨架，而是以結構簡單的柔性六元環為基礎，支撐兩部分“邊臂”與HsClpP蛋白結合。在選擇性上，ZK53不結合也不激動金黃色葡萄球菌SaClpP、大腸桿菌EcClpP和羅伊斯乳桿菌LrClpP，不影響腸道菌群的體外生長。通過序列比對與蛋白突變實驗發現，選擇性產生的原理是由于HsClpP中146位色氨酸與ZK53的3,5-二氟苯基產生了π-π堆積作用，穩定了ZK53與HsClpP的結合，而細菌蛋白中該位置為體積較小的氨基酸，削弱了該作用，進而降低了ZK53與細菌ClpP的結合能力。ZK53的發現為設計HsClpP選擇性激動劑提供了一種新的機制和策略。
此外，該研究團隊借助遺傳學手段，通過體內外實驗證明HsClpP功能的激活在肺鱗癌中具有抗腫瘤活性。ZK53通過靶向激動肺鱗癌細胞內的HsClpP，促進線粒體呼吸鏈復合物蛋白降解，進而影響線粒體膜電位、ROS水平、mtDNA拷貝數、氧化磷酸化及線粒體形態，最終干擾線粒體正常功能。ZK53抑制肺鱗癌細胞增殖，誘導細胞周期阻滯和細胞凋亡。在動物水平上，ZK53抑制肺鱗癌細胞系裸鼠移植瘤和KrasLSL-G12D/+；Lkb1fl/fl（KL）自發肺鱗癌模型中腫瘤的增殖和發展。
該研究開發了具有新穎骨架結構的HsClpP選擇性小分子激動劑，概念上驗證了針對不同物種同源性較強的ClpP蛋白酶可以實現選擇性激活，為ClpP選擇性激動劑的設計提供新方法。此外，開展了通過激動HsClpP抑制肺鱗癌發生發展的抗腫瘤活性研究，為肺鱗癌的治療提供有前景的策略。
上海藥物所博士研究生周琳琳、副研究員張濤博士，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心薛云博士為論文的共同第一作者，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心季紅斌研究員，上海藥物所楊財廣研究員為共同通訊作者。該研究得到上海藥物所周虎課題組、丁侃課題組，復旦大學甘建華課題組，上海同步輻射光源和先導專項化合物資源庫的支持，并獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院青年創新促進會的資助。
人線粒體ClpP選擇性激動劑抗肺鱗癌研究
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42784-4（供稿部門：楊財廣課題組）
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