8月19日，中國科學(xué)院成都生物研究所生物資源利用中心王飛研究團隊聯(lián)合四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院馮小明院士和董順喜教授團隊在藥物化學(xué)國際頂級期刊Journal of Medicinal Chemistry上發(fā)表題為“Discovery of a Covalent Inhibitor of Pro-Caspase-1 Zymogen Blocking NLRP3 Inflammasome Activation and Pyroptosis”（文章鏈接）的最新研究成果，報道了化合物CIB-1476共價結(jié)合pro-caspase-1抑制NLRP3炎癥小體的激活和細(xì)胞焦亡。
Caspases是一類結(jié)構(gòu)相關(guān)的半胱氨酸蛋白酶家族，是細(xì)胞死亡和天然免疫的關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白。炎癥小體激活后，caspases家族會在天冬氨酸殘基上被底物切割，產(chǎn)生活性剪切體，導(dǎo)致炎癥因子如IL-1β和IL-18的釋放和細(xì)胞死亡。根據(jù)其細(xì)胞功能，可分為凋亡caspases (caspase -2、-3、-6、-7、-8、-9和-10) 和炎癥caspases (caspase -1、-4、-5和-11)。在人類細(xì)胞的胞質(zhì)濃度下，caspases以未加工的失活狀態(tài)的原酶形式（zymogen）存在，從而作為一種天然的保護機制控制可導(dǎo)致細(xì)胞死亡的原酶激活。目前開發(fā)caspase蛋白家族的選擇性抑制劑非常具有挑戰(zhàn)性，因為它們具有共同的底物要求和類似的亞基構(gòu)型。因此，靶向caspase原酶是實現(xiàn)對特定caspase選擇性的一種潛在方法，因為caspase原酶在其家族成員中可能存在更大的差異。
NAIP/NLRC4,NLRP3/6/7和AIM2/IHI16等多種炎癥小體的激活導(dǎo)致了一個共同的下游事件：caspase-1的激活。過去針對caspase-1抑制劑的開發(fā)，主要是針對其催化區(qū)以四肽底物作為抑制劑，它們僅在caspase-1二聚化形成活性位點后才能關(guān)閉蛋白酶活性。然而，抑制caspase-1活性位點終止炎癥信號提供治療益處的機會有限，因為在免疫細(xì)胞(如巨噬細(xì)胞)中caspase-1 在炎癥小體組裝后就迅速失活。這也是傳統(tǒng)的caspase-1抑制劑，如pralnacasan、emricasan和belnacasan (VX-765)，由于副作用或療效問題而在臨床階段被停止開發(fā)的主要原因。因此，在caspase-1自激活之前，通過靶向無酶活性的caspase-1原酶（pro-caspase-1）發(fā)現(xiàn)新的非肽類抑制劑，可以為治療caspase-1相關(guān)疾病如痛風(fēng)、關(guān)節(jié)炎、老年癡呆等提供新的途徑，但是該工作尚存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因為無酶活性的pro-caspase-1缺乏傳統(tǒng)的可被化學(xué)小分子靶向的口袋結(jié)構(gòu)。
王飛研究員團隊通過針對caspase-1的高通量篩選，發(fā)現(xiàn)前期馮小明院士團隊合成的一類環(huán)己烯基異硫氰酸酯類化合物（Angew. Chem. Int. Ed. 2018. 57,9113-9116）具有良好的抑制caspase-1活性的作用。其中化合物CIB-1476表現(xiàn)出最優(yōu)的caspase-1抑制活性（IC50 ~ 0.65 μM）。初步的構(gòu)效關(guān)系研究表明，CIB-1476的骨架結(jié)構(gòu)和異硫氰酸酯共價基團的位置共同決定了該類化合物的caspase-1 抑制活性。CIB-1476能夠特異性抑制caspase-1的活性，而對caspase-3、-4、-5、-7、-11沒有影響；有效的抑制NLRP3和AIM2炎癥小體的組裝和激活，從而抑制炎癥因子IL-1β的釋放以及gasdermin D (GSDMD)介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡。通過蛋白質(zhì)質(zhì)譜、生物素探針和點突變等手段，作者發(fā)現(xiàn)CIB-1476能夠不可逆的共價結(jié)合pro-caspase-1原酶中的Cys285位點（位于活性催化區(qū)）以及Cys397位點（位于底物識別和變構(gòu)區(qū)），在對酶活性依賴性的IL-1β的釋放以及非酶活性調(diào)控的NF-κB活化方面表現(xiàn)出比VX-765更持久的抗炎作用?；瘜W(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)分析也顯示CIB-1476與細(xì)胞內(nèi)caspase-1結(jié)合。并且CIB-1476也在小鼠體內(nèi)表現(xiàn)出良好的安全性和一定的代謝穩(wěn)定性，可以通過抑制小鼠體內(nèi)NLRP3炎性體的激活顯示出有效的抗急性痛風(fēng)和腹膜炎作用，而在Casp1-/-基因敲除小鼠中這種作用則被消除。該研究填補了國際上pro-caspase-1小分子抑制劑的空白，克服了同時使 caspase-1 的酶活性和非酶功能失活的難題，從而為靶向caspase家族原酶的藥物研發(fā)提供了一種新策略，同時也為開發(fā)治療急性痛風(fēng)等first-in-class藥物開辟了新的途徑。
王飛研究員、馮小明教授和董順喜教授為本論文共同通訊作者；成都生物所曹東怡和席芮穎博士及四川大學(xué)李宏業(yè)博士為本文并列第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源計劃和中國科學(xué)院成都生物研究所攻關(guān)團隊項目等的支持。
圖. CIB-1476的作用示意圖
Therapeutic modulation of inflammasome pathways. Immunological Reviews 2020,297:123-138.