线粒体拥有独立的蛋白质翻译和降解系统，其中人线粒体ClpP（HsClpP）是线粒体基质中高度保守的丝氨酸蛋白酶，参与维持线粒体内蛋白质稳态。近年来，随着对HsClpP生物学功能研究的不断深入，越来越多的证据表明HsClpP在多种肿瘤的发生发展中发挥着重要的作用。肺鳞癌患者约占非小细胞肺癌患者人数的30%，目前肺鳞癌的靶向治疗效果差，免疫治疗策略的总体响应率较低，亟需新靶点新策略拓宽新药发现研究。 　　

HsClpP激动剂是目前靶向ClpP抗肿瘤的重要途径。由于ClpP蛋白在人和细菌中高度保守，如何实现选择性激动HsClpP，而不影响人体共生菌ClpP功能，保证肺鳞癌治疗的安全性，是该研究方向上的挑战之一。目前已报导的HsClpP激动剂均无选择性或者缺乏选择性研究，酶学上有选择性的抑制剂（D9）没有细胞活性。因此，目前尚无HsClpP选择性激动抗肿瘤的报导。 　　

中国科学院上海药物研究所杨财广课题组长期在ClpP蛋白酶的结构、作用机制以及小分子激动剂等方面开展研究工作，取得了系列进展（ACS Chem. Biol., 2016, 11, 1964; Cell Chem. Biol., 2022, 29, 1396; Nat. Commun., 2022, 13, 6909）。2023年11月3日，杨财广课题组在Nature Communications在线发表题为 “Selective activator of human ClpP triggers cell cycle arrest to inhibit lung squamous cell carcinoma”的研究论文，为设计HsClpP选择性激动剂提供新策略。 　　

本研究利用高通量筛选发现趋化因子受体CCR1拮抗剂BX471可以选择性激动HsClpP。结构优化之后获得一类具有柔性骨架的HsClpP激动剂，其中化合物ZK53能够结合HsClpP并激动其酶学活性。HsClpP/ZK53的复合物晶体结构揭示了小分子的作用机制。与已报导的大多具有刚性骨架结构的HsClpP激动剂不同，ZK53不具有ONC201的多环并环结构，也没有ADEP4中复杂的环肽类骨架，而是以结构简单的柔性六元环为基础，支撑两部分“边臂”与HsClpP蛋白结合。在选择性上，ZK53不结合也不激动金黄色葡萄球菌SaClpP、大肠杆菌EcClpP和罗伊斯乳杆菌LrClpP，不影响肠道菌群的体外生长。通过序列比对与蛋白突变实验发现，选择性产生的原理是由于HsClpP中146位色氨酸与ZK53的3,5-二氟苯基产生了π-π堆积作用，稳定了ZK53与HsClpP的结合，而细菌蛋白中该位置为体积较小的氨基酸，削弱了该作用，进而降低了ZK53与细菌ClpP的结合能力。ZK53的发现为设计HsClpP选择性激动剂提供了一种新的机制和策略。 　　

此外，该研究团队借助遗传学手段，通过体内外实验证明HsClpP功能的激活在肺鳞癌中具有抗肿瘤活性。ZK53通过靶向激动肺鳞癌细胞内的HsClpP，促进线粒体呼吸链复合物蛋白降解，进而影响线粒体膜电位、ROS水平、mtDNA拷贝数、氧化磷酸化及线粒体形态，最终干扰线粒体正常功能。ZK53抑制肺鳞癌细胞增殖，诱导细胞周期阻滞和细胞凋亡。在动物水平上，ZK53抑制肺鳞癌细胞系裸鼠移植瘤和KrasLSL-G12D/+；Lkb1fl/fl（KL）自发肺鳞癌模型中肿瘤的增殖和发展。 　　

该研究开发了具有新颖骨架结构的HsClpP选择性小分子激动剂，概念上验证了针对不同物种同源性较强的ClpP蛋白酶可以实现选择性激活，为ClpP选择性激动剂的设计提供新方法。此外，开展了通过激动HsClpP抑制肺鳞癌发生发展的抗肿瘤活性研究，为肺鳞癌的治疗提供有前景的策略。 　　

上海药物所博士研究生周琳琳、副研究员张涛博士，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心薛云博士为论文的共同第一作者，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心季红斌研究员，上海药物所杨财广研究员为共同通讯作者。该研究得到上海药物所周虎课题组、丁侃课题组，复旦大学甘建华课题组，上海同步辐射光源和先导专项化合物资源库的支持，并获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会的资助。

人线粒体ClpP选择性激动剂抗肺鳞癌研究 　　

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42784-4（供稿部门：杨财广课题组）