8月19日，中國科學院成都生物研究所生物資源利用中心王飛研究團隊聯(lián)合四川大學化學學院馮小明院士和董順喜教授團隊在藥物化學國際頂級期刊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共價結合pro-caspase-1抑制NLRP3炎癥小體的激活和細胞焦亡。
Caspases是一類結構相關的半胱氨酸蛋白酶家族，是細胞死亡和天然免疫的關鍵調節(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，產生活性剪切體，導致炎癥因子如IL-1β和IL-18的釋放和細胞死亡。根據其細胞功能，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)。在人類細胞的胞質濃度下，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致細胞死亡的原酶激活。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，因為在免疫細胞(如巨噬細胞)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相關疾病如痛風、關節(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挑戰(zhàn)，因為無酶活性的pro-caspase-1缺乏傳統(tǒng)的可被化學小分子靶向的口袋結構。
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）。初步的構效關系研究表明，CIB-1476的骨架結構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)介導的細胞焦亡。通過蛋白質質譜、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區(qū)），在對酶活性依賴性的IL-1β的釋放以及非酶活性調控的NF-κB活化方面表現(xiàn)出比VX-765更持久的抗炎作用。化學蛋白質組學分析也顯示CIB-1476與細胞內caspase-1結合。并且CIB-1476也在小鼠體內表現(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NLRP3炎性體的激活顯示出有效的抗急性痛風和腹膜炎作用，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基金、中國科學院戰(zhàn)略生物資源計劃和中國科學院成都生物研究所攻關團隊項目等的支持。
圖. CIB-1476的作用示意圖
Therapeutic modulation of inflammasome pathways. Immunological Reviews 2020,297:123-138.