撰文 | 十一月
STAT3（Signal transducer and activator of transcription 3）是STAT家族的成員之一，對多種細胞因子、生長因子等等信號進行響應並激活下游基因的表達。STAT3調節與癌細胞中與存活、增殖、生成、侵襲、轉移，耐藥性和免疫逃避相關的基因【1】，STAT3的異常調節會造成多種人類癌症以及其他的人類疾病。因此，一直以來STAT3都被認為是癌症等疾病的治療靶點。但不幸的是，靶向STAT3的小分子藥物由於特異性較差等原因難以尋找【2】。
2019年11月11日，美國密歇根大學的王少萌教授課題組在Cancer Cell雜誌上發表了題為A Potent and Selective Small-Molecule Degrader of STAT3 Achieves Complete Tumor Regression In Vivo的論文，利用PROTAC (Proteolysis targeting chimera technology)技術【3,4】設計出了在體外與體內均能夠特異性降解癌細胞中STAT3的小分子，該文章發表為多種癌症的治療提供了新的小分子藥物同時也為許多其他不可藥物化的目標利用PROTAC技術設計降解劑鋪平了道路。
STAT3的磷酸化對於其二聚化以及隨後靶標基因的轉錄激活非常關鍵。STAT3的二聚化依賴於SH2（Src-homology 2）結構域之間的相互作用。因此，一直以來，科學家們都希望尋找到作用於SH2結構域從而能夠阻止STAT3二聚化以及轉錄活性的小分子藥物。但是根據此思路找到的小分子藥物在臨床上的功能卻非常有限【5】，其中一個很重要的原因就是SH2結構域在STAT家族中非常保守，很難找到STAT3特異的抑制性小分子。為了解決這一問題，作者們首先根據之前找到的STAT3 SH2結構域的抑制劑【6】的基礎上進行結構為導向的優化設計（圖1）。作者們設計得到的小分子抑制劑SD-36，具有對STAT3 SH2結構高親和性以及具有良好的細胞滲透性。
圖1 結構設計優化得到的STAT3小分子抑制劑SD-36
在此基礎上，根據已知的一些能夠用於PROTAC設計的E3連接酶複合物中的因子對SD-36進行改造，加上了一個Cereblon (CRBN)/cullin 4A的配基（圖1左）得到了PROTAC降解STAT3的小分子藥物。隨後，為了對設計出的小分子藥物SD-36特異性降解STAT3的能力進行測試，作者們對不同的細胞系施用了SD-36，發現該小分子藥物能顯著地降解不同細胞系中的STAT3，並且對STAT家族的其他成員比如STAT1、STAT2、STAT4、STAT5A/B、STAT6等沒有明顯影響。
不僅如此，由於STAT3在多種惡性血液疾病中被發現具有不同的體細胞突變在如血癌以及淋巴癌中突變率高達5.3%【7】，尤其是在SH2結構域中也具有一些熱點突變。作者們進一步測試了SD-36對這些具有突變的STAT3是否具有降解作用。通過具有純合突變的STAT3的細胞系進行SD-36處理後發現，SD-36不僅能夠降解野生型的STAT3也能夠有效地降解突變型的STAT3，並且發現STAT3 SH2區域的磷酸化對於STAT3的降解並沒有什麼作用。而且，施用SD-36後，作者們對STAT3依賴的熒光素酶報告基因細胞系中的STAT轉錄活性進行分析，發現SD-36特異性影響STAT3的轉錄活性而對STAT家族的其他因子的摘錄活性沒有明顯影響。
進一步地，作者們在九種白血病以及九種淋巴瘤細胞系中分別施用了SD-36後發現對於其中一種白血病細胞系以及五種淋巴瘤細胞系的生長具有明顯的抑制作用。同時，作者們還對小鼠異體移植的腫瘤模型進行分析後發現，SD-36能夠高效地、選擇性地降解STAT3蛋白，而對於小鼠體內的腫瘤也具有完全地、長時間地抑制作用，並且對於肝臟、脾臟、心臟以及腎臟沒有明顯的毒害作用，對小鼠的體重以及血液中白蛋白、總血蛋白、肌酸酐、血尿素氮等生理指標也沒有明顯地影響。
總的來說，王少萌組的工作發現了一種有效的、高選擇性、高效的PROTAC STAT3抑制劑（圖2），為PROTAC技術用於其他不可藥物化的目標設計鋪平了道路。同時該工作也為STAT3作為臨床藥物的開發的靶標奠定了堅實的基礎，STAT3降解藥物的發現為人類癌症和其他人類疾病治療手段提供了新的思路。
圖2 STAT3小分子藥物設計改造思路以及對體內外腫瘤的抑制作用
原文鏈接：
https://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(19)30476-3
參考文獻
1. Zhao, C. et al. Feedback Activation of STAT3 as a Cancer Drug-Resistance Mechanism. Trends in pharmacological sciences 37, 47-61, doi:10.1016/j.tips.2015.10.001 (2016).
2. Wong, A. L. A. et al. Do STAT3 inhibitors have potential in the future for cancer therapy? Expert opinion on investigational drugs 26, 883-887, doi:10.1080/13543784.2017.1351941 (2017).
3. Bondeson, D. P. & Crews, C. M. Targeted Protein Degradation by Small Molecules. Annual review of pharmacology and toxicology 57, 107-123, doi:10.1146/annurev-pharmtox-010715-103507 (2017).
4. Paiva, S. L. & Crews, C. M. Targeted protein degradation: elements of PROTAC design. Current opinion in chemical biology 50, 111-119, doi:10.1016/j.cbpa.2019.02.022 (2019).
5. Johnson, D. E., O'Keefe, R. A. & Grandis, J. R. Targeting the IL-6/JAK/STAT3 signalling axis in cancer. Nature reviews. Clinical oncology 15, 234-248, doi:10.1038/nrclinonc.2018.8 (2018).
6. Chen, J. et al. Structure-Based Design of Conformationally Constrained, Cell-Permeable STAT3 Inhibitors. ACS medicinal chemistry letters 1, 85-89, doi:10.1021/ml100010j (2010).
7. Tate, J. G. et al. COSMIC: the Catalogue Of Somatic Mutations In Cancer. Nucleic acids research 47, D941-D947, doi:10.1093/nar/gky1015 (2019).
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