OpenEye应用案例三: 基于ROCS和EON发现靶向STAT3 DNA的小分子抑制剂

2018-12-04 16:06:31 来源:源资信息科技(上海)有限公司


背景介绍:

信号转导及转录激活因子3(STAT3)参与慢性炎症、氧化应激等生物学效应,还参与细胞的凋亡及增殖、组织的修复和再生等,也可以抵抗压力负荷,并普遍存在于任何动物体内。STAT3容易被酪氨酸(Tyr705)激活并被细胞表面的酪氨酸激酶磷酸化,随后发生二聚化,核转位,并与基因DNA中特定位置结合,激活转录活性。在正常细胞中,STAT3信号通路的激活是受到严格控制的。在异常细胞中,通过上调其下游基因bcl-2、细胞周期蛋白D1和血管内皮生长因子(VEGF)等等来激活STAT3信号通路,从而诱导细胞增殖并阻止癌细胞的凋亡。临床研究发现,磷酸化STAT3(pSTAT3)大量存在于卵巢癌,结肠直肠癌,胃癌,胰腺癌,肾癌和宫颈癌的患者体内。研究还发现STAT3的DNA结构域(DBD)是潜在的药物靶标,可以有效的阻断STAT3信号通路。分子动力学模拟研究发现已知抑制剂S3-54和STAT3 DNA结构域的残基Met331、Val343、Met420、Ile467 和 Met470 形成疏水相互作用,抑制剂S3-54的羧基和残基Lys340、Asn466 形成静电相互作用。

本研究采用计算机辅助药物设计的方法发现一些靶向STAT3 DNA结构域的抑制剂小分子用来治疗卵巢癌。


实验过程:

 

图1 实验过程


研究选择STAT3抑制剂inS3-54、A18、A26 和A6产生药效团模型,筛选Specs数据库得到25169个化合物。接着以化合物A18作为提问结构筛选得到25169个化合物,首先使用ROCS进行形状相似性筛选,命中的前5000个化合物接着使用EON进行静电相似性筛选,得到1500个化合物。研究对这1500个化合物进行了聚类分析,形成相互作用的关键氨基酸分析,最后得到40个化合物。

 

实验结果:

1. 筛选结果

研究使用已知抑制剂inS3-54、A18、A26 和A6产生的药效团模型(图2a)筛选Specs数据库,得到25169个化合物。然后以抑制剂A18作为提问结构(图2b)进行形状相似性筛选,静电相似性筛选等,最后命中40个化合物。

图2 药效团模型(a)和提问结构(b)

2. 活性测定结果

研究对命中的40个化合物进行了细胞毒性实验。首先将40个化合物配置成浓度为5 µM的溶液,然后培养H1299细胞72 h后检查细胞的存活率。结果发现化合物LC28对H1299细胞的抑制活性最好,IC50为8.1±4.1 µM(图3)。而已知抑制剂A26对H1299细胞的抑制活性IC50为3.4±0.2 µM。酶活性测定结果发现,化合物LC28抑制蛋白STAT3的Ki值为3.92 µM(图4)。并且化合物LC28和已知抑制剂A18的形状相似性(ShapeTanimoto值为0.711)和静电相似性(ET_pb值为0.348)都较高。因此化合物LC28可以作为潜在的靶向STAT3 DNA结构域抑制剂,进行后期研究。

 

图3 细胞毒性实验结果


图4化合物LC28的抑制活性(a)和化合物LC28与已知抑制剂A26的叠合结果(b)


3. 2D相似性筛选发现LC28

研究使用2D相似性筛选的方法得到一系列LC28类似物。化合物LC28可以分为A和B两个子结构(图5),基于该结构片段得到31个类似物。然后对这31个化合物进行H1299细胞活性测定,其中15个化合物表现出70%的抑制活性。接着进行酶活性测定,发现化合物LC28-11,-17,-24,-28 和 -29抑制蛋白STAT3的Ki 值分别是8.87,1.01,1.40,1.18和0.74 µM。而已知抑制剂A26抑制蛋白STAT3的Ki 值为2.50 µM。新发现的5个LC28类似物都具有结构B(图6),可以作为潜在的靶向STAT3 DNA结构域的新型抑制剂。

 

图5 化合物LC28的结构

 

图6化合物LC28的类似物


4. 化合物LC28及其类似物抑制卵巢癌细胞的研究

顺铂耐药是卵巢癌患者生存率降低的主要原因之一,而研究发现STAT3信号通路参与该调控。因此研究测定了化合物LC28及其类似物对卵巢癌细胞SKOV3和卵巢癌顺铂耐药细胞SKOV3/DDP的抑制活性,结果如表1所示。化合物LC28及其类似物对SKOV3细胞的抑制活性相似,而对SKOV3/DDP细胞的抑制活性差别较大。

5. 化合物LC28及其类似物诱导SKOV3/DDP细胞凋亡的研究

使用细胞计数法研究化合物LC28及其类似物诱导SKOV3/DDP细胞凋亡的过程。从结果图7中可以看出,使用10 µM的LC28及其类似物培养SKOV3/DDP细胞48h后,凋亡的细胞分别占21%14%,12%,95%和88%。这些研究结果表明发现的LC28及其类似物可有效诱导细胞凋亡并抑制顺铂耐药卵巢癌细胞的存活。 这些化合物值得作为新型STAT3抑制剂进行研究和开发。

 

图7  LC28类似物对SKOV3/DDP细胞的抑制结果

结论:

本研究使用形状相似性筛选(ROCS)、静电相似性筛选(EON),并结合细胞活性测定和酶活性测定,发现了新型STAT3抑制剂LC28及其类似物。这些化合物可以作为治疗顺铂耐药性卵巢癌的候选化合物。

 

使用模块:ROCS、EON、OMEGA

模块详细介绍:http://www.tri-ibiotech.com/biotech/product_104.html

参考文献

Wei H, Yuan L, Jun W, et al. Small-molecule compounds targeting the STAT3 DNA-binding domain suppress survival of cisplatin-resistant human ovarian cancer cells by inducing apoptosis [J]. European Journal of Medicinal Chemistry, 2018, 157: 887-897.


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