GLS1—HDAC双靶点抑制剂的研究文献综述

课题名称

GLS1---HDAC双靶点抑制剂的研究

毕业设计的内容和意义

内容：完成5~6个GLS---HDAC双靶点抑制剂的合成。并完成初步酶水平、和细胞水平的生物活性评价。

意义：GLS1抑制剂和HDAC抑制剂联合用药对多种肿瘤有协同增效的作用。多靶点药物不仅可以保持联合用药的协同增效作用，同时可以克服一些联合用药的弊端，如具更简单的药代动力学性质等。

文献综述

谷氨酰胺酶（GLS）能够催化谷氨酰胺水解成的谷氨酸和氨。在哺乳动物细胞线粒体中，存在着两种谷氨酰胺酶：肾型谷氨酰胺酶(GLS1)和肝型谷氨酰胺酶(GLS2)。GLS1主要分布在肝外组织，而GLS2主要分布于成人肝脏[1]。GLS1的两个同工酶来源于一对剪接变体，他们被称为肾谷氨酰胺酶(KGA)和谷氨酰胺酶C (GAC)。这两个同工酶具有相同的N端序列，C端部分来自不同的外显子[2]。

GLS是非肝组织中谷氨酸的主要来源之一，在多种生物学途径中起着重要作用。例如，GLS是谷氨酸-谷氨酰胺循环中的一种关键酶，旨在维持大脑中谷氨酸(一种主要的兴奋性神经递质)的充足供应[3]。GLS也是参与谷氨酰胺分解途径的第一个酶。谷氨酰胺是许多其他生物合成途径和能量生产所必需的中间体的前体[4]。

GLS在许多需要能量供应和富氮物质的恶性细胞中表达上调，是肿瘤代谢治疗的潜在靶点[5]。在肝癌细胞中，GLS1表达上调并与血清AFP、肿瘤分化、淋巴转移、TNM分期、患者预后较差相关。GLS1可能是通过AKT/GSK3beta;/CyclinD1通路发挥作用的[6]。在肺鳞状细胞癌中，GLS1抑制剂能在多种不同的细胞株里，通过下调mTOR表达，诱导癌细胞自噬[7]。

鉴于GLS1在肿瘤细胞中的重要作用，GLS1抑制剂成为了一种潜在抗肿瘤药物。6-叠氮-5-氧代-L-亮氨酸（DON）是最早被发现的GLS1抑制剂之一。作为GLS1天然底物的类似物，它可以竞争结合GLS1的活性位点，发挥抑制作用。但是，较差的选择性和较弱的效用限制了DON及其类似物在临床上的应用。另一方面，以2-2-[1,3,4-（5-苯乙酰氨基）噻二唑]乙基硫醚（BPTES）为代表的GLS1变构抑制剂则具有较好的选择性和较强的作用，有着更广泛的应用前景。现阶段，大量药物化学研究者对BPTES进行了结构改造，以期得到毒性低、生物利用度高的化合物。研究人员对苄基部分[8]、噻二唑部分[9]、二乙基硫醚[9]部分都进行生物电子等排体置换，也发先了一系列的GLS1抑制剂。BPTES类似物CB-839正在开展临床试验，也是唯一进行临床试验的GLS1抑制剂[10]。

图一 三种GLS1抑制剂

组蛋白去乙酰化酶（HDACs）是一组能够移除赖氨酸残基上乙酰基的酶。截至目前，哺乳动物体内一共发现了18种不同的HDACs。这些HDACs根据结构和功能可以分为4类。Ⅰ型HDAC包括HDAC1、2、3、8，广泛分布于所有细胞的细胞核内，具有保守的HDAC结构域。Ⅱ型HDAC包括HDAC4、5、6、7、9、10，能够往返于细胞核与胞浆，收到蛋白激酶C和蛋白激酶D的磷酸化调控。Ⅲ型HDAC包括sirt1-7，其去乙酰化作用需要NAD的参与，而其他的HDAC则需要锌离子的参与。Ⅳ型HDAC仅有HDAC11，其特定功能还有待进一步研究。特别注意的是，Ⅱ型HDAC可以进一步分为两种亚型，Ⅱa型HDAC有一个较大的碳端，而Ⅱb型HDAC具有两个去乙酰化结构域[11]。

HDACs在转录调控和蛋白质修饰中都具有重要的作用。当HDACs清除组蛋白尾部赖氨酸残基上的乙酰基时，组蛋白尾部的赖氨酸残基会加强带正电的组蛋白和带负电的DNA之间的相互作用。因此，组蛋白去乙酰化可导致染色质致密化，抑制启动子区转录机制的结合，从而抑制mRNA的合成。除了在转录抑制中的作用外，HDACs还在翻译后修饰(PTM)中起调节作用。HDAC的底物也可以是转录因子和信号转导中间体[12]。

在许多恶性肿瘤细胞中，多种HDAC的表达会上调，且与肿瘤发生过程中获得的恶性表型有关。Ⅰ型HDAC能够促进细胞增殖与存活，HDAC1、2在多种肿瘤细胞中均异常上调。

目前共有4种HDAC抑制剂作为抗肿瘤药物被批准上市，分别是Vorinostat、Romidepsin、Belinostat、Panobinostat，更有超过5种HDAC抑制剂处于三期临床。Vorinostat用于治疗皮肤T细胞淋巴瘤，可能引起严重的造血系统副作用[13]。Romidepsin最初也是用于治疗T细胞淋巴瘤，随后被批准治疗外周T细胞淋巴瘤[14]。Belinostat可用于复发性或难治性外周T细胞淋巴瘤的治疗[15]，而Panobinostat则可以治疗多发性骨髓瘤[16]。HDAC抑制剂通过诱导细胞周期阻滞，从而诱导细胞凋亡。HDAC抑制剂不仅可以增加p21的转录水平，诱导细胞周期阻滞，还可以激活p53的乙酰化。总的来说，HDAC抑制剂可以刺激促凋亡基因如Bax、Bak和Apaf1的表达[17]。

图二 四种批准上市的HDAC抑制剂

参考文献

1. Zimmermann, S.C., B. Duvall, and T. Tsukamoto, Recent Progress in the Discovery of Allosteric Inhibitors of Kidney-Type Glutaminase. Journal of Medicinal Chemistry, 2018. 62(1): p. 46-59.

2. Mates, J.M., et al., Glutaminase isoenzymes as key regulators in metabolic and oxidative stress against cancer. Curr Mol Med, 2013. 13(4): p. 514-34.

3. Sonnewald, U. and A. Schousboe, Introduction to the Glutamate-Glutamine Cycle. Adv Neurobiol, 2016. 13: p. 1-7.

4. Kovacevic, Z. and J.D. McGivan, Mitochondrial metabolism of glutamine and glutamate and its physiological significance. Physiol Rev, 1983. 63(2): p. 547-605.

5. van den Heuvel, A.P., et al., Analysis of glutamine dependency in non-small cell lung cancer: GLS1 splice variant GAC is essential for cancer cell growth. Cancer Biol Ther, 2012. 13(12): p. 1185-94.

6. Xi, J., et al., GLS1 promotes proliferation in hepatocellular carcinoma cells via AKT/GSK3beta/CyclinD1 pathway. Exp Cell Res, 2019. 381(1): p. 1-9.

7. Ye, X., et al., Inhibition of Glutaminolysis Inhibits Cell Growth via Down-regulating Mtorc1 Signaling in Lung Squamous Cell Carcinoma. Anticancer Res, 2016. 36(11): p. 6021-6029.

8. Shukla, K., et al., Design, synthesis, and pharmacological evaluation of bis-2-(5-phenylacetamido-1,2,4-thiadiazol-2-yl)ethyl sulfide 3 (BPTES) analogs as glutaminase inhibitors. J Med Chem, 2012. 55(23): p. 10551-63.

9. Li, J., et al., Heterocyclic inhibitors of glutaminase. 2013, Google Patents.

10. Xu, X., et al., Development and Characterization of a Fluorescent Probe for GLS1 and the Application for High-Throughput Screening of Allosteric Inhibitors. J Med Chem, 2019. 62(21): p. 9642-9657.

11. Yoon, S. and G.H. Eom, HDAC and HDAC Inhibitor: From Cancer to Cardiovascular Diseases. Chonnam Med J, 2016. 52(1): p. 1-11.

12. Eom, G.H. and H. Kook, Posttranslational modifications of histone deacetylases: implications for cardiovascular diseases. Pharmacol Ther, 2014. 143(2): p. 168-80.

13. Mann, B.S., et al., FDA approval summary: vorinostat for treatment of advanced primary cutaneous T-cell lymphoma. Oncologist, 2007. 12(10): p. 1247-52.

14. Whittaker, S.J., et al., Final results from a multicenter, international, pivotal study of romidepsin in refractory cutaneous T-cell lymphoma. J Clin Oncol, 2010. 28(29): p. 4485-91.

15. Poole, R.M., Belinostat: first global approval. Drugs, 2014. 74(13): p. 1543-54.

16. Oki, Y., et al., Phase I study of panobinostat plus everolimus in patients with relapsed or refractory lymphoma. Clin Cancer Res, 2013. 19(24): p. 6882-90.

17. Marchion, D. and P. Munster, Development of histone deacetylase inhibitors for cancer treatment. Expert Rev Anticancer Ther, 2007. 7(4): p. 583-98.

研究内容

完成5~6个GLS---HDAC双靶点抑制剂的合成。并完成初步酶水平、和细胞水平的生物活性评价。

研究计划

特色与创新

GLS1和HDAC在多种肿瘤细胞种异常表达，因此相关抑制剂可具有广谱抗肿瘤效果。同时GLS1抑制剂尚未上市，本课题可填补相关领域空白。双靶点抑制剂的研究增强药物疗效，降低肿瘤耐药性，具有极大的潜力和市场。

指导教师

意 见

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教研室意见

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