SUMO抑制剂的设计合成及生物活性评价文献综述

开题报告

DNA经转录翻译后得到的前体蛋白通常是无活性的,需要通过翻译后修饰,才能成为具有功能的成熟蛋白。蛋白质翻译后修饰包括磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化等，是细胞蛋白质发挥生物学功能的重要调节机制之一，其中泛素化是一种常见的翻译后修饰，其机理是在蛋白质翻译后，泛素分子结合到靶蛋白上，形成多聚泛素链，这个多聚泛素链的靶蛋白可以被26S蛋白酶体识别和降解。¹小泛素相关修饰物（small ubiquitin-related modifier,SUMO）是一种新发现的泛素样分子，也参与蛋白质的翻译后修饰，但是不介导靶蛋白的蛋白酶体降解，而是可逆地修饰靶蛋白，从而参与靶蛋白的定位和功能的调节，这是一个可逆的、动态的过程，大多数目标蛋白的SUMO化位点位于与Psi;K x E或Psi;KxE/D（Psi;为脂肪族残基，K是通常为Lys，E/D通常为Asp或Glu，x为任何氨基酸）序列一致的基序中，在这个过程中，修饰的蛋白质可以被SUMO特异性蛋白酶（sentrin/SUMO-specific proteases，SENPs）去SUMO化，同时SUMO与蛋白质的可逆连接是由与泛素化途径的酶类似的酶控制的，但一般不会引发蛋白质的蛋白酶体降解。²随着许多SUMO化蛋白的鉴定，SUMO化蛋白已被证明在细胞生长、细胞应激反应、DNA修复、肿瘤发生和先天免疫等多种生物学功能中发挥着重要作用，并且SUMO修饰的失调与肿瘤的发生和发展有关。

SUMO化修饰是大多数真核细胞生存所必需的的翻译后修饰形式，在芽殖酵母中有1个SUMO化基因，但却有8个与其相关的旁系基因。在哺乳动物细胞中，SUMO蛋白有SUMO-1、SUMO-2、SUMO-3和SUMO-4四种亚型，其中SUMO-2与SUMO-3的同源性达95%，二者之间仅存在3个N端残基的差异，目前还无法从功能上区分它们，但它们与SUMO-1的同源性仅为45%左右，但SUMO-1和SUMO-2/3仍具有非常相似的三维结构。SUMO-4是四种成分中特征最不明显的亚型，它的表达仅限于肾脏、脾脏和淋巴结。SUMO蛋白的四种成分的分工各不相同。首先，大多数靶蛋白在体内都是由SUMO-1独家修饰的，靶蛋白与SUMO-1结合修饰占主导地位，其他一些靶蛋白则与SUMO-2/3结合，或与所有SUMO结合。上边已经提到SUMO对细胞的应激反应起着至关重要的作用，如热休克、DNA损伤和氧化应激等。在哺乳动物细胞中，SUMO-1和SUMO-2/3具有不同的动力学响应。例如，在HeLa细胞中，SUMO-1在SUMO化和去SUMO化之间的动力学转变比SUMO-2和SUMO-3的动力学修饰反应需要更多的时间。

蛋白质SUMO化过程涉及多步酶级联反应。³首先，SUMO前体蛋白被特异性蛋白酶（sentrin-specific proteases，SENPs）裂解，暴露出羧基末端的两个甘氨酸残基。随后，在ATP的催化下，SUMO E1酶上的Cys173残基与SUMO末端的酰基间生成SUMO-SUMO E1硫酯，然后转移到SUMO结合酶E2（SUMO E2，也称为Ubc9）中，再次形成硫酯。接着，SUMO连接酶E3（SUMO E3）使SUMO E2与底物之间的相互作用趋于稳定，并在目标蛋白质内的SUMO C-末端和赖氨酸之间产生一个肽键。SUMO E2单独存在的情况下，也可以介导底物与SUMO蛋白间共价结合。⁴一般来说，SENPs、SUMO E1、SUMO E2和SUMO E3是4种关键酶，它们依次对底物蛋白的氨基酸残基进行切割、活化、转移和连接。

SUMO化过程相关酶含量在各种癌症中升高，故可作为癌症检测的生物标记物，考虑到蛋白质SUMO化修饰在调节癌症进展中多种生物学功能方面的重要意义，许多针对蛋白质SUMO化途径的小分子抑制剂被发展成为潜在的临床抗癌治疗方法。研究表明，蛋白质SUMO化和去SUMO化修饰的失调与肿瘤的发生和发展有关。与SUMO化相关的酶通常在各种癌症中升高，作为癌症生物标记物，与患者的不良反应相关。最近，许多研究表明SUMO E1激活酶（SAE1和SAE2的异二聚体）、SUMO E2结合酶或SUMO E3连接酶在多种癌症中的表达有所增强。SUMO E2在腺癌和卵巢癌细胞中的表达水平上调，在肺癌、乳腺癌、前列腺癌和癌细胞中PIAS3（proteinensp;inhibitorensp;ofensp;activatedensp;STAT，一种能够激活STAT转录活性的蛋白)有不同程度的升高。此外，SUMO化对肿瘤干细胞的维持和自我更新至关重要，SUMO激活酶E1或SUMO结合酶E2的下调能够抑制结直肠癌干细胞的维持和自噬，通过调节细胞周期促进结直肠癌的发生。蛋白质的SUMO化修饰除了与癌症进程相关，还与其他生理状态息息相关，例如心脏病，神经退行性疾病，先天免疫等等，值得一提的是，SUMO化修饰还涉及大量病毒的复制，包括通过直接修改病毒蛋白或通过修改涉及抗病毒防御的细胞蛋白。⁶

尽管诸多生理变化涉及到SUMO化修饰过程，但判断其修饰的检测仍有许多挑战，主要原因是由于SUMO修饰蛋白的丰度较低。现主要采取这生物信息学方法进行检测，这些检测侧重于对底物蛋白上现有的SUMO特异性位点采取严格的算法，有的甚至考虑了蛋白质的空间结构和疏水性，这些生物信息学预测通常需要实验数据的进一步验证。

由于蛋白质SUMO化和去SUMO化修饰的失调与肿瘤的发生和发展有关，所以针对SUMO化途径寻找设计抑制剂至关重要，然而，针对该通路的有效且选择性的抑制剂现在报道的并不多。这里列举几种：上边提到的SENPs作为半胱氨酸蛋白酶包括6个成员：SENP1、SENP2、SENP3、SENP5、SENP6和SENP7，在这些成员中，SENP1的含量在各种癌症中广泛增加，SENP2的含量在膀胱癌和肝细胞癌中减少，SENP3 SENP5的含量在神经母细胞瘤，多发性骨髓瘤胃癌，口腔鳞状细胞癌和乳腺癌中增加。2-（4-氯苯基）2-氧乙基4-苯甲酰胺苯甲酸酯和1-[4-（N-苄基氨基）苯基]-3-苯基脲都是目前发现的小分子SENP1抑制剂⁷。SENP1抑制剂不仅是通过化学合成设计的，还能够从天然产物中提取，如从草药中提取的雷公藤内酯醇，从苦瓜中提取的苦瓜甙，从地肤子中提取的地肤子皂苷等。其中地肤子皂苷具有一定剂量依赖性，可改变SENP1的热稳定性,减弱蛋白酶对SENP1的降解作用,形成对肿瘤的抑制作用。⁸除此之外，化合物1，2，5-噁二唑是有效的SENP2抑制剂。一些天然产物，包括银杏酸、达维地因是有效的选择性SUMO E1靶向抑制剂，它们通过阻止SUMO E1中间体的形成来产生抑制作用，但是这些天然SUMO E1抑制剂中的大多数在微摩尔浓度下才起抑制作用，为了解决这一限制，人们开发了其他合成的SAE抑制剂，如COH000，COH000结合与一个不同于活性位点的隐秘口袋，该位点被完全掩盖在SUMO E1结构中，并且COH000与SUMO E1的结合伴随着结构的变化，该变化将酶完全锁定在一种非活性构象中。再如ML-792。ML-792是基于SUMO激活酶（SAE）的抑制剂。⁹SUMO化修饰改变了靶蛋白的分子表面，这种改变可影响靶蛋白的活性和细胞定位，ML-792选择性地阻断SAE酶活性和SUMO化修饰进程，从而降低癌细胞增殖。ML-792的类似物TAK-981，目前正在进行关于头颈癌、淋巴癌以及急性髓性白血病的一期临床实验。这也是目前唯一进入临床的SUMO抑制剂。另外，2′，3′，4′三羟基黄酮，spectomycin B1等都是有效的SUMO E2抑制剂。¹⁰而有效的SUMO-E3抑制剂还没有开发出来。

通过以上阐述，我们可以得出结论：SUMO化相关酶作为癌症生物标记物，含量有所变化，与患者的不良预后相关。因此，本课题将针对SUMO化途径设计与合成小分子抑制剂，并评价其生物学活性。