Crystalo Biopharma晶蛋生物

导读

基于合成致死的PARP抑制剂研发十几年间，异癌同治下其适应症逐步拓展。据药融云数据统计，PARP抑制剂全球已上市及研发状态的药物合计65个，在中国处于研发状态的药物合计24个，且其2021年全球销售额突破30亿美元！这些数据均显示，PARP依旧是肿瘤研发的热门靶点！自2014年奥拉帕利问世以来，全球有六款PARP抑制剂获批上市，分别是奥拉帕利、鲁卡帕利、尼拉帕利、他拉唑帕利、氟唑帕利和帕米帕利。这六类“帕利”药物在卵巢癌的治疗领域可谓是风生水起、六分天下！其中，尼拉帕利是目前医保目录中唯一实现全人群报销的PARP抑制剂，以其临床优势和良好的可及性填补了卵巢癌全人群一线维持治疗医保报销的空白，为满足广大卵巢癌患者的迫切需求贡献了力量。

近日，晶蛋生物最新的科研成果《Crystal Structures of the Catalytic Domain of Human PARP15 in Complex with Small Molecule Inhibitors》被BBRC杂志成功接收，文章主要报道了PARP15催化结构域-抑制剂复合物的三种新的晶体结构，这三种抑制剂的结合模式分为两组，第一组包括3-AB和Iniparib，它们只在NI-亚位点结合。第二组以Niraparib（尼拉帕利）为代表，它不仅在NI-亚位点内相互作用，而且还延伸到AD-亚位点。这让我们更进一步理解PARP家族的配体选择性机制，对未来基于结构的强效PARP抑制剂的药物发现具有重要意义。

01

研究背景

PARP的全称为poly-ADP-ribose polymerase，即多聚ADP核糖聚合酶，其在各种细胞过程中发挥着关键作用，包括基因组完整性、转录和程序性细胞死亡。在阻断肿瘤细胞中的DNA修复以及各种癌症治疗的临床前模型中都有明显的效果。该蛋白家族由17个成员组成，其中，PARP15(ARTD7)属于MART类，与端粒维护、转录调控、应激反应和免疫信号转导有关。虽然对于PARP15的配体结构已有不少的研究，但是在PARP15催化活性的特异性上仍知之甚少，故晶蛋生物对此展开研究。

02

研究成果

PARP15的同源催化结构域的一般结构

图1 PARP15和PARP1的催化结构域的总体结构。A，PARP15和3AB配合物的PARP15单体，PARP15配合物的PARP15单体和非选择性配体STO1102(PDB代码4f0e，灰色)，d环突出。C，两个PARP15结构的覆盖层。D，PARP1催化结构域由螺旋结构域和ART结构域组成。E，PARP15艺术领域。N端和C端显示。

我们从PARP15和3AB配合物中得到的PARP15催化结构域与PARP15与非选择性配体STO1102配合物中得到的PARP15催化结构几乎相同(PDB code 4f0e；图1B)。在PARP15中，可以观察到一个类似于白喉毒素的供体部位特色折叠的β-α-loop-β-α基序，这与之前报道的其他PARP家族成员的转移酶结构域相同。尽管PARP15与其他PARP5保持了相同的9个核心β链和H-Y-E三链和4个α-螺旋，但与PARP1相比，它也揭示了一些差异(图1D)。更重要的是，PARP15中的d-环比PARP1中的要短得多且无序（图1A，1E)，这与一些单ADP核糖基化酶的底物特异性有关。

图2 白喉毒素和选定的PARP15的人adp-核糖体转移酶结构域，其最近的同源物PARP 14，PARP 121，PARP1和TNKS1，彩色三角形标记典型的H-Y-E基序以及其他与其结构和功能作用相关的关键位置。使用薛定谔中的多序列查看器对所有序列进行对齐和手动调整，并显示了PARP15晶体结构的二级结构元素。红点表示d型环的位置。

对白喉毒素和选定的ADP-核糖基转移酶的活性位点序列进行了基于结构的比对（图2)。结果表明，PARP15与PARP1的同源序列在几个位置不同，与PARP14活性位点的同源性最高。并且，PARP15中的Gly538在其他PARPs中也高度保守，通过与底物的酰胺基形成氢键，可作为烟酰胺的导向化合物.

PARP15中的NAD⁺结合口袋

图3 A，PARP15的活性催化结构域。图2中所示的彩色三角形和圆圈的残基以棒状表示。B，PARP15活性位点的裂缝和形成桥梁的两个残基。C，PARP15催化结构域的供体位点（紫色）和受体位点（蓝色）。D，PARP15供体位点的AD-亚位点和NI-亚位点，具有某些保守残基。AD-位点的残基为绿色，NI位点的残基为黄色。

典型的NAD⁺PARP家族的结合位点可分为两个亚袋：供体位点NAD⁺和受体位点(图3C)。NAD⁺根据位点是否与NAD的腺苷或烟酰胺基团结合，可进一步分为AD-亚位点和NI-亚位点.且PARP15结合域的其他显著特征是，AD-位点周围的残基大多带负电荷，NI-亚位点在深袋内有死角阻塞，且与蛋白质另一边的受体位点没有直接连接(图3B)。 

PARP15的三种抑制剂的结合模式

研究发现，三种抑制剂均通过PARP15活性位点堆叠在Tyr582和Tyr569上，与Gly538的主酰胺和碳基或Ser577的侧链羟基形成保守的氢键作用（图4）。这两种特定的相互作用是PARP和第一代抑制剂之间的共同特征。

 

图4 A，PARP15活性结构域与第一代抑制剂3-AB结合在活性位点的底部。B、D和F，分别为PARP15与3-AB、BSI-201和Niraparib配合物的静电表面。C，BSI-201结合在PARP15的NI-亚位点。E，Niraparib结合在PARP15的NAD+的结合袋。

3-AB和Iniparib靶向AD-亚位点

3-AB是研究最多的第一代PARPs抑制剂之一，它以与烟酰胺类似的方式结合在PARP15催化位点的底部。这个抑制剂已经与许多PARP家族成员共结晶，包括PARP1，PARP2，TNKS2，PARP10和PARP12。PARP15与3-AB复合物催化结构域的分辨率为1.40 Å，酰胺基与tankyrases-2的结合模式与先前发布的相比发生了180°转变，与Ser577的侧链形成一个保守的氢键，与Gly538主链羰基形成另外两个水介导氢键（图4）。3-AB在Tyr582和Tyr569之间堆积着苯甲酰胺环。

Niraparib靶向AD-亚位点

Niraparib是一种针对PARP1和PARP2的选择性抑制剂。在PARP15的晶体结构中，配体在整个NAD结合域内同时占据NI-亚位和AD-亚位，使其成为NAD⁺极好的模拟物.此外，与PARP1和PARP2的相比，PARP15中N端螺旋结构域的缺失抑制了配体与结合位点氨基酸之间的相互作用(图1d)。在PARP15-Niraparib的复合物中，在557-559处的三个残基的电子密度不可见。然而，在PARP15的活性位点上仍显示出紧密的构象，Niraparib的大部分结构在NI-亚位点内，只有哌啶基团延伸到AD-亚位点(图4F)。

03

未来展望

PARP抑制剂已成为一种新型的高效抗肿瘤试剂。我们在本研究中收集并系统分析PARP15与3种PARP抑制剂的的高分辨率结构信息，将为未来基于结构的选择性和潜在的强效PARP抑制剂的药物发现奠定坚实的基础。

晶蛋生物

深圳晶蛋生物医药科技有限公司成立于2019年8月，致力于慢性肾病、抑郁症和恶性肿瘤等重大疾病的膜蛋白创新药物研发，立志成为全球极具创新力和影响力的企业，近日已完成近亿元Pre-A轮融资。

核心团队由哈佛大学、中科院上海药物所等多所顶尖科研院所和制药公司的博士组成，在膜蛋白抗原抗体、药物靶点结构解析、基于结构和人工智能的药物研发和药理学等领域的研发能力处于国际一流水平。

公司于2020年获得中国深圳创新创业大赛生物医药行业一等奖、2020年“科创中国”先导技术奖、第九届中国创新创业大赛全国优秀奖、科创中国科技创新创业大赛TOP10和粤港澳大湾区生物科技创新企业50强等奖项。

官网链接：www.crystalobio.com

商务合作：张先生 15180009998

END

参考文献

Crystal Structures of the Catalytic Domain of Human PARP15 in Complex with Small Molecule Inhibitors.