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Bcl-2家族蛋白是细胞凋亡的关键调控因子。该家族的抗凋亡Bc1-2-like蛋白成员(Bcl-2,Mcl-1,Bcl-xL等)与促凋亡蛋白(Bax,Bak和BH3-only蛋白)通过共有的BH3结构域发生蛋白质-蛋白质相互作用(PPI),决定细胞凋亡与否。Bc1-2-like蛋白因此成为靶向抗癌药的研发靶点。选择性的Bcl-2蛋白抑制剂ABT-199于2016年被FDA批准上市,成为最新的临床抗癌药物。Mcl-1蛋白是Bc1-2-like蛋白之一,在多种肿瘤细胞中大量表达,有着与Bc1-2/Bc1-xL蛋白不同的抗凋亡特性,和Bcl-2并称为肿瘤细胞的“左膀右臂”。研发Mcl-1选择性抑制剂,将可能解决Bcl-2抑制剂的抗药性,与Bcl-2抑制剂联合使用,提高抗肿瘤活性。本研究致力于该项工作,为靶向抗癌药的研发提供更多的候选药物分子。第一个选择性Mcl-1抑制剂分子直到2012年才被报导,目前没有同类分子进入到临床实验阶段。设计、合成和评价新的Mcl-1抑制剂是该领域的重要任务。结构生物学和蛋白突变研究表明,促凋亡蛋白的BH3 α-螺旋疏水一侧的四个热点氨基酸残基(hotspots)分别插入到Bcl-2/Mcl-1蛋白BH3结合沟槽的p1-p4四个疏水口袋,α-螺旋亲水一侧的天冬氨酸残基与抗凋亡蛋白上的精氨酸残基形成盐桥。这5个残基是小分子Bc1-2/Mc1-1抑制剂的设计模板。模拟热点氨基酸残基的空间分布和理化性质的小分子,通过占据P1-P4这4个结合位点,与促凋亡蛋白竞争结合,中和抗凋亡Bcl-2-like蛋白的功能,释放促凋亡蛋白,达到诱导肿瘤细胞凋亡。现有的Mcl-1抑制剂分子主要通过占据P2口袋实现这一功能,还没有小分子能够占据Mcl-1蛋白的p1口袋。然而,本研究分析对比了Mcl-1蛋白与Bcl-2蛋白在p1口袋的空间结构和氨基酸残基分布,发现了明显不同。这可能成为小分子实现选择性拮抗Mcl-1蛋白的结构基础。本研究通过基于片段的药物设计方法,从已知Mcl-1抑制剂6-氯-3-(3-(4-氯-3,5-二甲基苯氧基)丙基)-1H-吲哚-2-羧酸中拆分得到片段1H-吲哚-2-羧酸,根据该片段与Mcl-1蛋白的结合模式,在合适的取代位点,采用角度合适的苯磺酰基作为连接基团,使取代基朝向蛋白的p1口袋,获得新的分子骨架A1。对A1进行分子生长,得到一系列新的具有一定选择性的Mcl-1抑制剂：化合物A2-A11。其中化合物A11能够以Ki=0.48μM的亲和力选择性结合Mcl-1蛋白(亲和力比Bcl-2蛋白高7.5倍)。1H-15NHSQC结果显示,化合物A11能够模拟Bim的I58、L62、D67,占据Mcl-1蛋白的p1、p2和R263位置。细胞实验表明,A11能够以浓度依赖的方式诱导Mcl-1蛋白依赖的肿瘤细胞发生凋亡。A1-A11分子是全新结构的选择性Mcl-1抑制剂,也是第一系列占据了Mcl-1/Bcl-2蛋白的p1口袋的小分子。通过构效关系研究,我们发现,柔性的、极性的、体积适中的基团有利于占据Mcl-1的p1口袋。A1-All针对Mcl-1和Bcl-2蛋白的AG/HAC和MW/pKi等参数的分析表明,占据p1口袋对Mcl-1比对Bcl-2蛋白更能够有效提高小分子的亲和力；我们还进一步比较了已报导的占据Mcl-1蛋白p2口袋的抑制剂,结果表明占据Mcl-1的p1口袋比占据p2口袋对小分子的选择性的贡献更大。综上所述,p1口袋是实现Mcl-1选择性的一个关键结构位点。