PNAS | 王明伟/Vogt/杨德华领衔合作团队揭示PI3Kα的全新配体结合位点

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2023年8月17日（北京时间），由复旦大学基础医学院王明伟、美国Scripps研究所Peter K. Vogt和中国科学院上海药物研究所杨德华领衔的国际合作团队于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）在线发表了题为“Structural insights into the interaction of three Y-shaped ligands with PI3Kα”的研究成果（图1）。该论文报道了人源全长磷脂酰肌醇3激酶（Phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K）α亚型（p110α-p85α）分别结合三种不同亲和力的Y型配体（Cpd16、Cpd17和Cpd18）复合物的冷冻电镜结构，揭示了之前未曾报道的特殊配体结合口袋，阐明了立体或区域化学修饰引起亲和力差异的结构基础，为靶向PI3Kα的药物设计提供了新的思路。

PNAS | 王明伟/Vogt/杨德华领衔合作团队揭示PI3Kα的全新配体结合位点

图1. 论文首页

磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）是体内一种重要的脂质激酶，在细胞生长、增殖和分化等重要生命过程中发挥关键的信号调节作用¹^-3。PI3K可分为三类（I–III），其中I类PI3Ks又细分为IA类（α、β、δ）和IB类（γ）⁴。PI3Kα属于IA类，由催化亚基p110α和调节亚基p85α组成，其编码基因PIK3CA（p110α）和PI3KR1（p85α）是突变率极高的致癌驱动基因⁵。PI3Ks抑制剂尤其是突变体选择性抑制剂是抗肿瘤药物研究的热点，但由于此类配体开发极具挑战性，因此进展缓慢。不久前，瑞士科学家使用DNA编码化合物库（DNA-encoded library, DEL）靶向PI3Kα进行的药物筛选发现了一类全新型骨架的Y型配体（图2A），部分化合物对PI3Kα突变体H1047R的亲和力强于野生型（Wide-type, WT）但无激动或抑制活性⁶。因此，该研究团队基于既往在PI3Kα野生型和突变体三维结构解析方面积累的经验⁷^-9，对这类Y型配体与PI3Kα的结合模式和配体识别特征进行了深入的研究。

参加这项工作的科研人员经过反复优化实验条件，获得了颗粒均一且性状稳定的蛋白复合物，应用中国科学院上海药物研究所300 kV冷冻电镜拍摄到的清晰图像和后继单颗粒三维重构，获得了分辨率分别为3.05 Å、3.03 Å和3.19 Å的Cpd16–PI3Kα、Cpd17–PI3Kα及Cpd18–PI3Kα三个复合物的分子结构。研究显示，这三种Y型配体均采取一种独特和之前未见报道的方式与PI3Kα结合（图2B）。整体而言，与野生型PI3Kα的冷冻电镜结构（PDB ID: 7MYN）⁷相比，这三个复合物的结构显示出广泛的一致性。

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图2. Y型配体–PI3Kα复合物整体结构比较。A，具有新型骨架的三种Y型PI3Kα配体。三肽连接部分（LFluo, 黑色虚线框内）不结合PI3Kα⁶；B，Cpd16–PI3Kα、Cpd17–PI3Kα和Cpd18–PI3Kα三个复合物冷冻电镜结构对比图，Y型配体使用球棍模式显示。

Cpd17以Y型构象结合在PI3Kα上，其中一条侧链（2,3-二甲基喹喔啉-6-羧酰胺）插入到先前未知、由R770和W780形成的“三明治”型口袋（Sandwich pocket），形成强烈的π-π和cation-π相互作用；另一条侧链[6-(2-苯基乙炔基)喹喔啉]则以独特角度插入ATP结合位点，并和小分子抑制剂BYL-719的噻唑基团部分重叠，与PI3Kα形成丰富的疏水和堆叠作用（图3）。分子动力学模拟发现，R770A和W780A显著削弱了Cpd17与“三明治”型口袋（R770和W780）的堆叠作用，从而影响Cpd17同PI3Kα结合的稳定性。

图3. Cpd17与PI3Kα的结合模式。A和B，Cpd17–PI3Kα复合物电子密度图（A）及其对应的三维结构模型（B），Cpd17的密度显示为黑色网格；C，Cpd17与PI3Kα形成广泛的相互作用，尤以R770和W780处为甚。

相比Cpd17，其S型对映异构体Cpd16具有略低的PI3Kα亲和力，而间位异构体Cpd18则显著降低了配体与PI3Kα的亲和力。从结构上看，Cpd16和Cpd18均显示出不同于Cpd17的PI3Kα结合构象（图4）。具体来看，Cpd16的手性差异使得其氨基酸尾部旋转以致略微远离PI3Kα，从而减少了与后者相互作用之面积，降低了亲和力；Cpd18的苯环间位取代使Y型中心叔碳往远离P-环方向位移2.5 Å，引起6-(-苯基乙炔基)喹喔啉和2,3-二甲基喹喔啉-6-羧酰胺分别旋转67.6度和27.4度，因此无法与S773和V851等形成氢键，与R770的堆叠和M772的疏水作用也明显下降，由此显著下降了同PI3Kα的亲和力。

图4. Cpd17（绿色）与Cpd16（左，橙色）或Cpd18（右，紫色）在PI3Kα上的结合构象比较

复旦大学基础医学院青年研究员周庆同和博士研究生刘晓为该论文的共同第一作者，复旦大学基础医学院王明伟讲席教授、美国科学院院士Peter K. Vogt教授和中国科学院上海药物研究所杨德华研究员为共同通讯作者。该研究先后获得了国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、国家卫生健康委员会、海南省科技厅、中国科学院‒诺和诺德研究基金和美国国立卫生研究院的经费资助。

论文链接：http://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304071120

参考文献

1. Courtney K D, Corcoran R B, Engelman J A. The PI3K pathway as drug target in human cancer. Journal of Clinical Oncology, 2010, 28(6): 1075.

2. Zhang M, Jang H, Nussinov R. PI3K inhibitors: review and new strategies. Chemical Science, 2020, 11(23): 5855-5865.

3.Fruman D A, Chiu H, Hopkins B D, et al. The PI3K pathway in human disease. Cell, 2017, 170(4): 605-635.

4.Jean S, Kiger A A. Classes of phosphoinositide 3-kinases at a glance. Journal of Cell Science, 2014, 127(5): 923-928.

5.Samuels Y, Wang Z, Bardelli A, et al. High frequency of mutations of the PIK3CA gene in human cancers. Science, 2004, 304(5670): 554-554.

6.Favalli N, Bassi G, Pellegrino C, et al. Stereo-and regiodefined DNA-encoded chemical libraries enable efficient tumour-targeting applications. Nature Chemistry, 2021, 13(6): 540-548.

7.Liu X, Yang S, Hart JR, et al. Cryo-EM structures of PI3Kα reveal conformational changes during inhibition and activation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2021, 118(45): e2109327118.

8.Hart JR, Liu X, Pan C, et al. Nanobodies and chemical cross-links advance the structural and functional analysis of PI3Kα. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119(38): e2210769119.

9.Liu X, Zhou Q, Hart JR, et al. Cryo-EM structures of cancer-specific helical and kinase domain mutations of PI3Kα. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119(46): e2215621119.