STTT 西南交通大学符雷蕾课题组合作首次发现中药喜树碱衍生结构类似物2-APQC通过靶向激动SIRT3调控线粒体稳态来改善心衰

中药以及天然活性成分，是现代药物发现的重要来源，在各种疾病的治疗中均表现出优秀的潜力。心力衰竭是一种复杂的临床综合征，它随着心肌纤维化、心脏肥大或其他心血管疾病的发展而形成，并以心脏结构和功能的异常为特征。随着人口老龄化的加重和普遍的不健康饮食，心衰已成为我国高发的临床疾病。因此，发现新型抗心衰的候选药物是十分迫切和必要的，而中医药宝库也为新型药物的发现提供了源源不断的灵感。

心脏功能障碍通常伴随着异常的线粒体氧化代谢和能量代谢，因此调节与线粒体代谢相关的蛋白质和酶来改善心脏代谢紊乱是目前改善心衰的一个很有前景的潜在治疗策略。Sirtuin3 (SIRT3)被广泛认为是一种位于线粒体中的保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸⁺ (NAD⁺)依赖性去乙酰化酶，可以调节氧化应激、分解代谢和ATP产生。多项研究揭示了SIRT3在心脏纤维化、心肌肥厚乃至心衰中的关键作用，开发靶向SIRT3的新型小分子激动剂已成为改善心衰的新兴治疗策略。值得关注的是，喜树碱是世界上“第三大植物抗癌药”，它的衍生物类化合物已成为继紫杉醇之后另一种天然植物来源的最重要的抗癌药，对于喜树碱的衍生化制备、靶标的确认以及构效关系研究也是目前药物学家研究的热点。

2024年5月15日，西南交通大学生命科学与工程学院符雷蕾课题组联合四川大学药学院彭芙课题组与深圳大学药学院张瑾课题组及成都中医药大学药学院的合作者们在Signal Transduction and Targeted Therapy上共同发表了题目为“2-APQC, a small-molecule activator of Sirtuin-3 (SIRT3), alleviates myocardial hypertrophy and fibrosis by regulating mitochondrial homeostasis”的研究性论文，该研究首次发现了喜树碱衍生结构类似物2-APQC可作为新型靶向SIRT3小分子激动剂来通过调控线粒体脯氨酸代谢和ROS代谢稳态来改善心衰。该研究不仅为心衰的治疗提供了新的候选药物，也为中医药活性成分的新用途提供了新证据。

实验结果

1.基于SIRT3口袋L筛选发现喜树碱衍生的结构类似物2-APQC可作为具有心衰治疗潜力的新型SIRT3小分子激动剂

课题组先前研究在SIRT3的NAD⁺结合口袋附近发现了两个潜在的SIRT3激活口袋(口袋L和口袋U)，其中基于口袋U已经成功的开发了选择性的SIRT3激动剂33c用于三阴性乳腺癌的治疗。在本研究中，作者基于SIRT3在改善心衰中的重要作用，根据口袋L的结构特点，在多个数据库中对潜在的SIRT3激动剂进行了大规模多批次的筛选和初步活性评价，最终发现一个具有SIRT3激动活力同时在异丙肾上腺素(ISO)诱导的心衰模型中具有显著保护活性的喜树碱衍生的结构类似物2-APQC。值得注意的是，2-APQC对SIRT3具有较好的选择性激动活力，对SIRTs家族其他蛋白的影响很小。此外，2-APQC在心肌细胞内展现出较好的SIRT3激动活力，对SIRT3的表达水平影响不大，但是显著促进了SIRT3对底物的去乙酰化能力，说明2-APQC是一个不依赖于SIRT3表达量变化的选择性SIRT3激动剂。

图1. 基于结构的SIRT3小分子激动剂筛选及2-APQC激活H9c2细胞SIRT3脱乙酰酶活性的鉴定

2. 2-APQC通过激活SIRT3活力在体内外心衰模型中减轻心肌肥大和纤维化，全面改善心力衰竭

图2. 2-APQC在ISO诱导的心衰模型中通过减轻心肌肥厚和抑制心肌纤维化改善心衰

3. 2-APQC激活SIRT3介导的AKT/mTOR/p70S6K和TGF-β/Smad3途径的抑制来发挥心肌细胞保护作用

图3. 2-APQC在大鼠心衰模型中通过激活SIRT3调节AKT/mTOR/p70S6K和TGF-β/Smad3途径以减轻心肌纤维化来改善心衰

4. 在SIRT3 KO的小鼠中，2-APQC改善心衰的作用消失

图4. 2-APQC在SIRT3基因敲除小鼠心衰模型中不能减轻心衰症状

5. 基于转录组学，首次发现在ISO诱导的心衰模型中，线粒体吡咯啉-5-羧酸还原酶-1 (PYCR1)的表达和功能被显著抑制，2-APQC可显著逆转PYCR1的功能丢失来维持线粒体稳态

图5. 基于转录组学的2-APQC对H9c2细胞心衰改善作用的分子机制研究

6. 2-APQC激活SIRT3-PYCR1调控的脯氨酸生成，以抵抗线粒体ROS累积引起的线粒体氧化损伤，同时激活SIRT3-AMPK-RIPK3通路抑制心肌细胞坏死

图6. SIRT3激动剂2-APQC通过SIRT3- PYCR1途径调节线粒体氧化应激和SIRT3-AMPK-RIPK3途径调节坏死从而在ISO诱导的心脏损伤中发挥心脏保护作用

综上，本研究发现了一种可以用于心衰潜在治疗的新型选择性靶向SIRT3的小分子激动剂—喜树碱衍生的结构类似物2-APQC。从药物发现的角度上看，本工作是原创且全新的，在课题组前期对SIRT3的多年研究中，基于SIRT3与其他SIRTs蛋白结构的差异，创新性的基于口袋L来发现新型SIRT3小分子激动剂。从作用机制上看，2-APQC不仅可以激活SIRT3调控的经典AKT-mTOR和TGF-β-Smad3通路来改善心肌肥大和缓解心肌纤维化，还可以通过激活SIRT3-PYCR1来调控线粒体脯氨酸代谢和ROS代谢平衡，保护损伤的线粒体，维持线粒体稳态。随后，抑制p38MAPK-Ca²⁺通路并激活AMPK-Parkin轴来抑制坏死，从而全面改善心脏功能。上述结果表明2-APQC是新型靶向SIRT3的小分子激动剂，同时也是具有良好开发价值的、治疗心衰的小分子候选药物。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41392-024-01816-1