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科研進展

Nat Commun | 王晓东實驗室/齐湘兵實驗室:靶向PDE3A诱导细胞凋亡的吲哚生物碱小分子

發布時間:2020/07/13

香港快三/清华大学生物医学交叉研究院王晓东實驗室博士后李典镕于2015年发现人体内包括雌激素(E2)在内的一类小分子能够诱导多种癌细胞凋亡。博士后艾有为通过全基因组CRISPR-Cas9筛选发现E2诱导的细胞凋亡依赖于PDE3A/SLFN12的表达,并且发现E2通过直接结合PDE3A来诱导PDE3A-SLFN12相互作用。随后李典镕、陈洁等揭示PDE3A-SLFN12诱导细胞凋亡的机理(Molecular Cell,2019,1103)。

艾有为在齐湘兵實驗室协助下进行雌激素分子探针构建的过程中,获知一类乌檀属吲哚生物碱小分子也能诱导癌细胞死亡。为了探索这些小分子化合物诱导细胞死亡的机理,艾有为博士与齐湘兵實驗室,华东师范大学高栓虎實驗室合作对这一类化合物进行了构效关系优化。最后发现其中的Nauclefine小分子诱导细胞凋亡只需要5.8nM,并揭示了Nauclefine介导细胞凋亡的生化机理。作者近期在Nature Communications发表题为Analkaloid initiates phosphodiesterase 3A–schlafen 12 dependentapoptosis without affecting the phosphodiesterase activity的研究。

PDE3家族包含PDE3A和PDE3B兩個成員。PDE3A主要在心髒,平滑肌,血小板,卵巢等髒器中表達。PDE3A缺失的小鼠能正常存活,也能排出正常數目的卵細胞,但是卵細胞由于不能完成減數分裂,停留在生發泡期,導致雌性不育。
雖然PDE3抑制劑能夠用于多種疾病的改善,但是長期抑制PDE3的活性被證明可能會引起心髒病人猝死,影響女性卵細胞成熟等風險。現今幾乎所有的PDE抑制劑都用于抑制催化活性域中的cAMP/cGMP結合位點,但是由于PDE蛋白家族成員酶活性功能域的高度同源性,導致抑制劑選擇性差,造成早期PDE抑制劑研究並不順利,甚至帶來多重副作用。
本研究在發現烏檀屬吲哚生物堿Nauclefine能在低濃度誘導癌細胞凋亡基礎上,開展了詳細的針對Nauclefine介導細胞凋亡的生化機理研究。
首先通過對靶點已知的小分子庫進行篩選,作者發現多個PDE3抑制劑能夠完全抑制Nauclefine誘導的細胞凋亡,提示PDE3蛋白可能參與Nauclefine誘導的細胞凋亡過程。通過遺傳學敲除PDE3A或者其結合蛋白SLFN12的細胞,作者發現Nauclefine與上述報道的E2一樣,通過PDE3A-SLFN12依賴的方式誘導細胞凋亡,並且在小鼠成瘤模型中抑制了腫瘤的生長。
通過pulldown結合LC-MS/MS質譜鑒定的方法,本研究驗證了Nauclefine與PDE3A的結合,但是與已知的PDE3A酶活性抑制劑DNMDP結合模式並不完全一樣。于是作者探索了Nauclefine能否抑制PDE3A的磷酸二酯酶活性。體外酶活性實驗結果表明Nauclefine並不能抑制PDE3A對cAMP的水解,表明本研究發現一個全新的小分子化合物,能夠結合PDE3A,誘導PDE3A-SLFN12的結合,但是並不抑制PDE3A的酶活性。
先前的研究表明發展小分子化合物誘導PDE3A與SLFN12相互作用成爲一種新型的抗癌治療方式。PDE3A與SLFN12的高表達是篩選有潛力用此方式進行治療的癌症病人的分子標志物。但是PDE抑制劑特異性差,並且長期抑制PDE3的酶活性可能會帶來心髒病人猝死,抑制女性生育,降低血小板數目等副作用的風險。
本研究發現Nauclefine代表一類全新作用機理的小分子化合物,這類小分子不抑制PDE3酶活性、但是誘導PDE3A與SLFN12相互作用、進而引起癌細胞凋亡。以Nauclefine爲代表的小分子具有用于癌症治療的潛力,並且能避免由于抑制PDE酶活性帶來的多重副作用。

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