高活性高選擇性 PAK4 抑制劑在腫瘤研究中的應(yīng)用
P21 活化蛋白激酶（p21-activated protein kinase, PAK）作為一類保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是 Rho 家族中的小 GTP 酶 CDC42 及 Rac1的效應(yīng)蛋白，介導(dǎo)其下游信號通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)。 PAK4 是 PAKs 中的一員，當(dāng) PAK4 表達(dá)異常時(shí)，細(xì)胞發(fā)生癌變。Wang C 等研究表明[1]，PAK4 在肺癌、結(jié)腸癌、前列腺癌、胰腺癌和乳腺癌細(xì)胞中的表達(dá)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常細(xì)胞，對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、侵襲和遷移產(chǎn)生重要影響。因此，PAK4 抑制劑的開發(fā)是多種腫瘤治療行之有效的策略之一。
Hao C 等[2], 基于藥物的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并合成了一系列氨基喹唑啉類 PAK4 抑制劑，同時(shí)對該系列化合物進(jìn)行選擇性和藥代動力學(xué)性質(zhì)優(yōu)化，獲得了一個(gè)高活性高選擇性的 PAK4 抑制劑 31（CZh226）。它對 PAK4 的 Ki 值為 9 nM，對多種激酶表現(xiàn)出優(yōu)秀的選擇性，其中對 PAK1 的 Ki 值為 3112 nM，選擇性差異達(dá)到了 346 倍。多種優(yōu)秀的藥效和藥代動力學(xué)參數(shù)使得化合物 31 被選做先導(dǎo)化合物，進(jìn)一步進(jìn)行抗癌藥物的開發(fā)。（圖1）
圖1. 化合物 31 的結(jié)構(gòu)式（圖片來源：《J. Med. Chem.》）
研究者隨后探究了 PAK4 與化合物 31 的作用模式，共晶復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示，化合物 31 的氨基吡唑與 Glu396 和 Leu398 形成氫鍵并相互作用，環(huán)丙基與 Met395 和Val335 形成了很強(qiáng)的疏水相互作用，哌嗪環(huán)上的 NH 與 Asp458 的羧基形成氫鍵作用，Asp444 的羧基通過誘導(dǎo)分子的構(gòu)象變化進(jìn)而與哌嗪環(huán)上的 NH 形成靜電作用。而化合物 31 與 PKA1 的預(yù)測結(jié)合模式顯示，氨基酸殘基 Asp407 側(cè)鏈發(fā)生位移，從而難以與哌嗪環(huán)上的 NH 形成靜電作用。此外，化合物 31與 PKA4 對接打分優(yōu)于其與 PKA1 的對接打分，這些結(jié)果與體外選擇性實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。（圖2）
圖2. （A，C）PAK4 與化合物 31 的共晶結(jié)構(gòu)（PDB：5XVG）；
（B，D）PAK1與化合物31的預(yù)測結(jié)合模式（圖片來源：《J. Med. Chem.》）
激酶譜實(shí)驗(yàn)顯示，化合物 31 在 0.1 μM 和 1.0 μM 濃度下對多種激酶具有很好的選擇性。其中，在 0.1 μM 的篩選濃度下對 PAK4 產(chǎn)生超過80%的抑制（PAK4 IC50=0.0111 μM），這可能是由于化合物 31 與 PKA4 蛋白的 DFG 模塊在空間上可以更好的結(jié)合。（圖3）
圖3. 化合物 31 在 0.1 μM 和1.0 μM 下對 54 個(gè)激酶的選擇性（圖片來源：《J. Med. Chem.》
通過細(xì)胞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步評價(jià)化合物 31 對 PAK4 的抑制作用。首先采用非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞株 A549 來評價(jià)化合物的抗增殖作用。其次，采用 HEK-293 細(xì)胞（人類胚胎腎 293 細(xì)胞）和生長不依賴于 PAK4 的 NCI-H460 細(xì)胞株（人類大細(xì)胞肺癌細(xì)胞）來評價(jià)化合物的潛在脫靶效應(yīng)。結(jié)果顯示，化合物 31 對 A549 細(xì)胞（圖 4A）具有中度的抗增殖活性，這一相對較低的細(xì)胞生長抑制活性結(jié)果表明，PAK4 可能不是這些癌細(xì)胞增殖的“驅(qū)動力”。隨后使用劃痕法和 Transwell 法評估化合物 31 對腫瘤細(xì)胞遷移和侵襲的影響，未給藥的 A549 細(xì)胞在劃痕后的 2天內(nèi)，大部分的劃痕部位都被填滿了，而給予一定劑量的化合物 31 后則顯著抑制了傷口愈合（圖 4B）。這一結(jié)果表明化合物 31 可顯著抑制 A549 細(xì)胞遷移和侵襲（圖 4C）。與此相反，NCI-H460 和 HEK-293 細(xì)胞遷移和侵襲的減少并不明顯，這表明化合物 31 對細(xì)胞活性的抑制是通過抑制 PAK4 而產(chǎn)生的。（圖 4）
圖4. 化合物 31 通過抑制 PAK4 激酶活性調(diào)節(jié)下游信號通路來抑制 A549 的遷移和入侵
（圖片來源：《J. Med. Chem.》）
小M 的小思考：
PAK4 作為一種有潛力的藥物開發(fā)靶點(diǎn)，其抑制劑的開發(fā)為治療相關(guān)的癌癥提供了新思路。截至目前，PAK4 的抑制劑數(shù)量很少，且多數(shù)抑制劑的活性不理想。目前已經(jīng)進(jìn)入臨床階段的小分子抑制劑有 KPT-9274 和 PF-3758309，其具有良好的 PAK4 抑制效果和藥代動力學(xué)性質(zhì)。本文發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新型、強(qiáng)效高選擇性的 PAK4 抑制劑 31（CZh226），它通過抑制 PAK4 激酶活性，調(diào)節(jié) PAK4 的下游信號通路，抑制了A549 腫瘤細(xì)胞的遷移和入侵，是一個(gè)有潛力的先導(dǎo)化合物，可用于進(jìn)一步抗癌藥物的開發(fā)。
Reference：
[1] Wang C, et al. Oncogenic PAK4 regulatesSmad2/3 axis involving gastric tumorigenesis. Oncogene.2014 Jun 26;33(26):3473-84.
[2] Hao C,et al. Structure-Based Design of 6-Chloro-4-aminoquinazoline-2-carboxamideDerivatives as Potent and Selective p21-Activated Kinase 4 (PAK4) Inhibitors. J.Med. Chem., 2018, 61 (1), 265–285.
相關(guān)產(chǎn)品：
KPT-9274 是有口服活性的 PAK4 /煙酰胺磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶 (Nampt) 抑制劑，IC50 值分別為小于 100 和 125 nM。
FRAX1036 是一種 PAK抑制劑，對 PAK1，PAK2 和 PAK4 的 Ki 值分別為 23.3 nM，72.4 nM 和 2.4 μM。
PF-3758309 是一種有效的 PAK 抑制劑，能夠抑制 PAK4 的活性，IC50 值為1.3 nM。
