王少萌团队构建STAT3特异性小分子降解剂抑制肿瘤生长

　　STAT3（Signal transducer and activator of transcription 3）是STAT家族的成员之一，对多种细胞因子、生长因子等等信号进行响应并激活下游基因的表达。STAT3调节与癌细胞中与存活、增殖、生成、侵袭、转移，耐药性和免疫逃避相关的基因【1】，STAT3的异常调节会造成多种人类癌症以及其他的人类疾病。因此，一直以来STAT3都被认为是癌症等疾病的治疗靶点。但不幸的是，靶向STAT3的小分子药物由于特异性较差等原因难以寻找【2】。

　　2019年11月11日，美国密歇根大学的王少萌教授课题组在Cancer Cell杂志上发表了题为A Potent and Selective Small-Molecule Degrader of STAT3 Achieves Complete Tumor Regression In Vivo的论文，利用PROTAC (Proteolysis targeting chimera technology)技术【3,4】设计出了在体外与体内均能够特异性降解癌细胞中STAT3的小分子，该文章发表为多种癌症的治疗提供了新的小分子药物同时也为许多其他不可药物化的目标利用PROTAC技术设计降解剂铺平了道路。

　　STAT3的磷酸化对于其二聚化以及随后靶标基因的转录激活非常关键。STAT3的二聚化依赖于SH2（Src-homology 2）结构域之间的相互作用。因此，一直以来，科学家们都希望寻找到作用于SH2结构域从而能够阻止STAT3二聚化以及转录活性的小分子药物。但是根据此思路找到的小分子药物在临床上的功能却非常有限【5】，其中一个很重要的原因就是SH2结构域在STAT家族中非常保守，很难找到STAT3特异的抑制性小分子。为了解决这一问题，作者们首先根据之前找到的STAT3 SH2结构域的抑制剂【6】的基础上进行结构为导向的优化设计（图1）。作者们设计得到的小分子抑制剂SD-36，具有对STAT3 SH2结构高亲和性以及具有良好的细胞渗透性。

图1 结构设计优化得到的STAT3小分子抑制剂SD-36

　　在此基础上，根据已知的一些能够用于PROTAC设计的E3连接酶复合物中的因子对SD-36进行改造，加上了一个Cereblon (CRBN)/cullin 4A的配基（图1左）得到了PROTAC降解STAT3的小分子药物。随后，为了对设计出的小分子药物SD-36特异性降解STAT3的能力进行测试，作者们对不同的细胞系施用了SD-36，发现该小分子药物能显著地降解不同细胞系中的STAT3，并且对STAT家族的其他成员比如STAT1、STAT2、STAT4、STAT5A/B、STAT6等没有明显影响。

　　不仅如此，由于STAT3在多种恶性血液疾病中被发现具有不同的体细胞突变在如血癌以及淋巴癌中突变率高达5.3%【7】，尤其是在SH2结构域中也具有一些热点突变。作者们进一步测试了SD-36对这些具有突变的STAT3是否具有降解作用。通过具有纯合突变的STAT3的细胞系进行SD-36处理后发现，SD-36不仅能够降解野生型的STAT3也能够有效地降解突变型的STAT3，并且发现STAT3 SH2区域的磷酸化对于STAT3的降解并没有什么作用。而且，施用SD-36后，作者们对STAT3依赖的荧光素酶报告基因细胞系中的STAT转录活性进行分析，发现SD-36特异性影响STAT3的转录活性而对STAT家族的其他因子的摘录活性没有明显影响。

　　进一步地，作者们在九种白血病以及九种淋巴瘤细胞系中分别施用了SD-36后发现对于其中一种白血病细胞系以及五种淋巴瘤细胞系的生长具有明显的抑制作用。同时，作者们还对小鼠异体移植的肿瘤模型进行分析后发现，SD-36能够高效地、选择性地降解STAT3蛋白，而对于小鼠体内的肿瘤也具有完全地、长时间地抑制作用，并且对于肝脏、脾脏、心脏以及肾脏没有明显的毒害作用，对小鼠的体重以及血液中白蛋白、总血蛋白、肌酸酐、血尿素氮等生理指标也没有明显地影响。

　　总的来说，王少萌组的工作发现了一种有效的、高选择性、高效的PROTAC STAT3抑制剂（图2），为PROTAC技术用于其他不可药物化的目标设计铺平了道路。同时该工作也为STAT3作为临床药物的开发的靶标奠定了坚实的基础，STAT3降解药物的发现为人类癌症和其他人类疾病治疗手段提供了新的思路。

图2 STAT3小分子药物设计改造思路以及对体内外肿瘤的抑制作用

　　原文链接：

　　https://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(19)30476-3

　　参考文献

　　1. Zhao, C. et al. Feedback Activation of STAT3 as a Cancer Drug-Resistance Mechanism. Trends in pharmacological sciences 37, 47-61, doi:10.1016/j.tips.2015.10.001 (2016).

　　2. Wong, A. L. A. et al. Do STAT3 inhibitors have potential in the future for cancer therapy? Expert opinion on investigational drugs 26, 883-887, doi:10.1080/13543784.2017.1351941 (2017).

　　3. Bondeson, D. P. & Crews, C. M. Targeted Protein Degradation by Small Molecules. Annual review of pharmacology and toxicology 57, 107-123, doi:10.1146/annurev-pharmtox-010715-103507 (2017).

　　4. Paiva, S. L. & Crews, C. M. Targeted protein degradation: elements of PROTAC design. Current opinion in chemical biology 50, 111-119, doi:10.1016/j.cbpa.2019.02.022 (2019).

　　5. Johnson, D. E., O'Keefe, R. A. & Grandis, J. R. Targeting the IL-6/JAK/STAT3 signalling axis in cancer. Nature reviews. Clinical oncology 15, 234-248, doi:10.1038/nrclinonc.2018.8 (2018).

　　6. Chen, J. et al. Structure-Based Design of Conformationally Constrained, Cell-Permeable STAT3 Inhibitors. ACS medicinal chemistry letters 1, 85-89, doi:10.1021/ml100010j (2010).

　　7. Tate, J. G. et al. COSMIC: the Catalogue Of Somatic Mutations In Cancer. Nucleic acids research 47, D941-D947, doi:10.1093/nar/gky1015 (2019).