具有α-氨基酰胺锌结合基团的HDAC11选择性抑制剂的底物导向开发

《ACS Omega》：Substrate-Guided Development of HDAC11-Selective Inhibitors Featuring α-Amino Amide Zinc-Binding Groups

基于组蛋白去乙酰化酶11（HDAC11）独特的底物偏好，本研究通过结构优化开发新型选择性抑制剂。以脂肪酸链（C16棕榈酰基）和α-氨基酸酰胺锌结合基团为核心，结合肽帽结构模拟天然底物，合成了具有高选择性和低纳摩尔抑制活性的化合物31（Ki=2.2 nM）。该化合物通过脂肪酸链与HDAC11的疏水口袋结合，同时α-氨基酸酰胺基团与锌离子形成双齿配位，抑制活性较泛HDAC抑制剂提高约10,000倍。分子对接和细胞代谢标记实验证实其特异性靶向HDAC11，且能逆转组蛋白去乙酰化过程。该研究为开发新型代谢疾病和癌症治疗药物提供了新思路。

　　HDACs（组蛋白去乙酰化酶）作为重要的调控蛋白修饰酶，在多种生物通路中扮演关键角色，因此成为药物研发中的重要靶点。这些酶通过去除组蛋白或其他非组蛋白蛋白的乙酰基，调控染色质结构和基因表达，从而影响细胞的多种功能。然而，传统HDAC抑制剂往往缺乏对特定HDAC亚型的选择性，这可能导致不必要的副作用或毒性反应。因此，开发具有高同工酶选择性和不同于羟amic酸的锌结合基团（ZBG）的HDAC抑制剂，成为当前研究的重点。在这一背景下，HDAC11因其独特的底物偏好性和高效的去脂肪酰化能力，成为开发高选择性抑制剂的理想目标。

HDAC11在生理过程中主要负责去乙酰化和去脂肪酰化两种类型的修饰反应，但相较于其他HDACs，其去乙酰化活性较低，而对脂肪酰基的去除则表现出更高的效率。这种特性使得HDAC11在细胞代谢调控中具有特殊意义，尤其是在肥胖、糖尿病和代谢功能障碍相关脂肪肝（MASLD）等疾病中，HDAC11的功能失调已被证实与疾病发生发展密切相关。此外，HDAC11在癌症调控中也具有重要作用，因此其作为药物靶点的潜力日益凸显。基于这些发现，研究团队致力于开发针对HDAC11的高效且特异的抑制剂，以期在疾病治疗中实现更精准的干预。

研究中，科学家们发现，某些包含脂肪酰化赖氨酸侧链的肽可以作为HDAC11的底物，这为开发具有选择性的抑制剂提供了思路。在此基础上，他们设计了一种新型的抑制剂结构，其中脂肪酰化基团被用于增强对HDAC11的结合特异性，同时引入不同的异原子以构建高效的锌结合基团。通过这种设计，研究人员成功合成了化合物31，该化合物在体外实验中表现出对HDAC11的高选择性抑制作用，其IC50值在低纳摩尔范围内，且不与其他HDAC亚型产生显著交叉反应。更重要的是，该化合物在细胞实验中表现出良好的活性，能够有效增强脂肪酰化水平，说明其在细胞内具有实际应用价值。

为了验证化合物31的抑制效果，研究人员采用了多种实验方法，包括HPLC-MS终点分析、MST（微量热泳动）技术以及分子对接研究。HPLC-MS实验显示，化合物31能够显著抑制HDAC11对底物的去脂肪酰化作用，而MST实验进一步确认了其与HDAC11的高亲和力结合。分子对接分析则揭示了化合物31与HDAC11活性位点之间的具体相互作用，包括与锌离子的双齿配位以及与活性位点周围疏水性氨基酸残基的结合。这些结果不仅证明了化合物31的高效抑制特性，还为理解其选择性机制提供了结构基础。

在细胞实验中，研究人员利用代谢标记法结合点击化学反应（CuAAC），分析了化合物31对细胞内脂肪酰化水平的影响。通过将14-烷基化肉豆蔻酸（Alk-14）作为脂肪酰化反应的化学报告分子，他们发现化合物31能够显著提高细胞内脂肪酰化蛋白的荧光信号，表明其对HDAC11的抑制作用能够有效激活脂肪酰化反应。这一结果进一步支持了化合物31在细胞内具有良好的生物活性和选择性。

为了进一步提高化合物31的抑制效果，研究团队对不同的帽基（cap group）和连接基（linker）进行了优化。他们发现，引入肽类结构的帽基能够增强与HDAC11的结合能力，从而提高抑制活性。此外，通过改变脂肪酰化链的长度和结构，研究人员还验证了其对抑制效果的影响。结果表明，较长的脂肪酰化链能够更有效地增强与HDAC11的结合，而较短的链则会导致抑制活性的显著下降。因此，化合物31的结构设计充分考虑了脂肪酰化链的长度和立体化学特性，以实现对HDAC11的高效选择性抑制。

研究还发现，化合物31的稳定性在人血清和HEK293细胞裂解液中保持良好，至少6小时后仍能检测到20%以上的化合物残留，这表明其在体内具有一定的生物利用度。同时，化合物31能够被HEK293细胞有效摄取，进一步验证了其在细胞内的应用潜力。这些结果不仅为HDAC11特异性抑制剂的开发提供了新的思路，也为后续的药物优化和临床前研究奠定了基础。

综上所述，本研究通过设计和合成具有新型锌结合基团的HDAC11选择性抑制剂，成功开发出一种高效且特异的化合物31。该化合物在体外实验中表现出显著的抑制活性，且在细胞实验中能够有效调节脂肪酰化水平，显示出良好的生物活性和选择性。此外，分子对接和MST实验进一步揭示了其与HDAC11活性位点的相互作用机制，为理解其选择性提供了结构依据。这一研究成果不仅拓展了锌结合基团在HDAC抑制剂中的应用范围，也为开发针对特定HDAC亚型的精准药物提供了新的策略和方向。