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的效應蛋白，介導其下游信號通路的轉導。 PAK4 是 PAKs 中的一員，當 PAK4 表達異常時，細胞發生癌變。Wang C 等研究表明^[1]，PAK4 在肺癌、結腸癌、前列腺癌、胰腺癌和乳腺癌細胞中的表達含量遠遠高于正常細胞，對腫瘤的發生、發展、侵襲和遷移產生重要影響。因此，PAK4 抑制劑的開發是多種腫瘤治療行之有效的策略之一。

      Hao C 等^[2], 基于藥物的結構，設計并合成了一系列氨基喹唑啉類 PAK4 抑制劑，同時對該系列化合物進行選擇性和藥代動力學性質優化，獲得了一個高活性高選擇性的 PAK4 抑制劑 31（CZh226）。它對 PAK4 的 Ki 值為 9 nM，對多種激酶表現出優秀的選擇性，其中對 PAK1 的 Ki 值為 3112 nM，選擇性差異達到了 346 倍。多種優秀的藥效和藥代動力學參數使得化合物 31 被選做先導化合物，進一步進行抗癌藥物的開發。（圖1）

圖1. 化合物 31 的結構式（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，共晶復合物結構顯示，化合物 31 的氨基吡唑與 Glu396 和 Leu398 形成氫鍵并相互作用，環丙基與 Met395 和Val335 形成了很強的疏水相互作用， NH 與 Asp458 的羧基形成氫鍵作用，Asp444 的羧基通過誘導分子的構象變化進而與 NH 形成靜電作用。而化合物 31 與 PKA1 的預測結合模式顯示，氨基酸殘基 Asp407 側鏈發生位移，從而難以與 NH 形成靜電作用。此外，化合物 31與 PKA4 對接打分優于其與 PKA1 的對接打分，這些結果與體外選擇性實驗結果一致。（圖2）

圖2. （A，C）PAK4 與化合物 31 的共晶結構（PDB：5XVG）；

（B，D）PAK1與化合物31的預測結合模式（圖片來源：《J. Med. Chem.》）

     激酶譜實驗顯示，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合。（圖3）

圖3. 化合物 31 在 0.1 μM 和1.0 μM 下對 54 個激酶的選擇性（圖片來源：《J. Med. Chem.》

      通過細胞實驗進一步評價化合物 31 對 PAK4 的抑制作用。首先采用非小細胞肺癌細胞株 A549 來評價化合物的抗增殖作用。其次，采用 HEK-293 細胞（人類胚胎腎 293 細胞）和生長不依賴于 PAK4 的 NCI-H460 細胞株（人類大細胞肺癌細胞）來評價化合物的潛在脫靶效應。結果顯示，化合物 31 對 A549 細胞（圖 4A）具有中度的抗增殖活性，這一相對較低的細胞生長抑制活性結果表明，PAK4 可能不是這些癌細胞增殖的“驅動力”。隨后使用劃痕法和 Transwell 法評估化合物 31 對腫瘤細胞遷移和侵襲的影響，未給藥的 A549 細胞在劃痕后的 2天內，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）。這一結果表明化合物 31 可顯著抑制 A549 細胞遷移和侵襲（圖 4C）。與此相反，NCI-H460 和 HEK-293 細胞遷移和侵襲的減少并不明顯，這表明化合物 31 對細胞活性的抑制是通過抑制 PAK4 而產生的。（圖 4）

圖4. 化合物 31 通過抑制 PAK4 激酶活性調節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靶點，其抑制劑的開發為治療相關的癌癥提供了新思路。截至目前，PAK4 的抑制劑數量很少，且多數抑制劑的活性不理想。目前已經進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性質。本文發現了一個新型、強效高選擇性的 PAK4 抑制劑 31（CZh226），它通過抑制 PAK4 激酶活性，調節 PAK4 的下游信號通路，抑制了A549 腫瘤細胞的遷移和入侵，是一個有潛力的先導化合物，可用于進一步抗癌藥物的開發。

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.

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