蛋白降解疗法靶向抑制WDR5，有效治疗急性髓性白血病

▎药明康德内容团队编辑  

蛋白质水解靶向嵌合体（PROTAC）技术近年来已成为抗肿瘤药物研发领域炙手可热的策略。这种策略利用一个具有双功能的小分子，将需要降解的蛋白（POI）与一种E3连接酶结合起来，诱导其泛素化，进而通过蛋白酶体介导POI的降解。

▲Jian Jin (金坚)教授（左）和Gang Greg Wang教授（右）

近日，西奈山伊坎医学院的Jian Jin（金坚） 教授和北卡罗来纳大学教堂山分校的Gang Greg Wang教授合作，基于PROTAC技术发展了一种高选择性的WDR5降解剂，小鼠的体内抗肿瘤实验表明，这是治疗急性髓性白血病（AML）等癌症的一种十分具有潜力的策略。

这一成果近期发表在国际著名期刊Science Translational Medicine上，共同第一作者为余旭芬博士、李东旭博士和Jithesh Kottur博士。

▲Science Translational Medicine官网对这项研究进行了推荐（图片来源：Science官网）

WDR5是混合血统白血病（MLL）组蛋白甲基转移酶功能复合物的亚结构单元，对于组蛋白（H3K4）的甲基化起着关键性作用。WDR5与多种人类癌症密切相关，例如急性髓性白血病、胰腺导管腺癌（PDAC）、神经细胞瘤、Burkitt淋巴瘤等。因此，调控WDR5相关的基因活性是肿瘤治疗中十分具有潜力的策略。

然而研究人员发现，先前针对WDR5蛋白-蛋白相互作用的小分子抑制剂抗肿瘤活性相对较弱。究其原因，小分子抑制剂很难长时间持续有效地阻断WDR5和另一组份蛋白的相互作用；更为重要的是，WDR5由WIN和WBM两个模块构成，拥有很多结合蛋白，这些与WDR5结合的蛋白与很多致癌机制相关，而小分子抑制剂往往只能靶向并抑制其部分致癌功能。

此次研究证明，降解WDR5可以有效克服小分子抑制剂的上述两个缺点。研究小组成功培养并解析了两种WDR5-降解剂-E3连接酶三元复合物的高分辨率晶体结构，在此基础之上，通过结构设计和体内外抗肿瘤实验，发展了一种高选择性的WDR5降解剂MS67。

作者先以小分子抑制剂OICR-9429为WDR5配体，加上VHL配体和连接链改造成降解剂MS33。随后，成功培育了WDR5-MS33-VHL的三元复合物的单晶。考察其晶体结构之后，为进一步加强靶蛋白降解，作者缩短了连接链并引入了两个新的甲基，使三元复合物之间的结合力提高了一个数量级，由此得到了更高效的降解剂MS67。作者指出，这一改造过程体现了结构导向优化（structure-based design）在优化PROTAC方面的优势。

▲MS33（左）和MS67（右）的分子结构以及三元复合物的晶体结构（图片来源：参考资料[1]） 

随后，研究作者以依赖WDR5的细胞系（MLL-r AML和PDAC）为研究对象，考察了MS33和MS67对细胞的增殖抑制和WDR5的降解。MS67表现出出色的细胞毒性（DC50 = 3.7 nM），效率大约是MS33的70倍。免疫印迹实验证明MS33和MS67都能降解WDR5蛋白，且MS67具有更高的效率。通过对作用机制的研究表明，MS33和MS67对WDR5的降解是依赖于VHL E3连接酶和泛素-蛋白酶体系统的，表明PROTAC策略在本项目中的成功。

基于质谱的蛋白质组学研究表明，MS67在降解WDR5蛋白时具有很高的选择性。在经过MS67处理过的MIA PaCa-2细胞系中，对于检测到的超过四千个蛋白，只有WDR5的量发生了明显改变。作者另外考察了22种甲基转移酶、45种激酶和44种GPCR蛋白，除了对Sigma 2受体在微摩尔浓度下有一定抑制效果之外，对其他超过一百种靶点，MS67都没有表现出抑制活性。

在另一方面，RNA-seq实验和基因敲除实验都表明，在MS67的作用下，WDR5调控的相关基因表达都受到了抑制。且MS67会显著降低WDR5-MLL复合物的催化产物的含量，表明MS67可以同时抑制WDR5相关的基因表达和WDR5-MLL的催化功能。

▲MS67有效抑制体内的肿瘤活性（图片来源：参考资料[1]）

在体外抗肿瘤实验中，对于依赖WDR5的肿瘤，MS67表现了比母体化合物OICR-9429更强的抗肿瘤活性；而对WDR5不敏感的肿瘤，MS67并没有显著活性，表明其不能影响细胞周期，也不能诱导细胞凋亡。

随后在小鼠体内获得了药代动力学（PK）和药效动力学（PD）数据，并以此为依据开展了体内抗肿瘤实验。作者以人源AML白血病小鼠移植肿瘤为研究模型，研究结果表明MS67能够有效抑制这种肿瘤的生长，提高小鼠存活期，而且没有观察到实验小鼠明显的体重降低。

从实验组小鼠取下的肿瘤样品经过RT-PCR分析表明，WDR5靶向的基因，包括与肿瘤发生相关的基因的表达都受到了抑制，同时，这些样本中的WDR5蛋白也被显著降解。MS67的体内抗肿瘤效果要远优于其母体化合物OICR-9429。

综上所述，作者利用PROTAC策略发展了一类高效的WDR5降解剂，体外和体内实验都表明，其抗肿瘤活性要好于与WDR5相关的蛋白-蛋白相互作用小分子抑制剂。该降解剂在小鼠体内没有产生明显的毒副作用，具有很好的应用前景。

参考资料：

[1] Xufen Yu et al., (2021) A selective WDR5 degrader inhibits acute myeloid leukemia in patient-derived mouse models. Science Translational Medicine Doi: 10.1126/scitranslmed.abj1578