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科研進展

?Nature Communications | 王曉東/王宏偉/黃牛/齊湘兵團隊合作解析多個小分子誘導PDE3A-SLFN12復合物結構高效誘導細胞凋亡

發布時間:2021/11/01

生物體在生長發育過程中,存在著大量的受基因調控的細胞死亡,又稱為細胞凋亡,如人體在胚胎發育過程中指間蹼的消失、蝌蚪尾巴的消失等。然而,腫瘤細胞卻往往因為在凋亡機制方面存在缺陷而能夠打破增殖與凋亡的平衡。通過對細胞凋亡機制的研究,利用化學藥物及基因調控誘導腫瘤細胞進入凋亡程序,是腫瘤治療的有效手段。


2016年,de Waal等人發現一種人工合成的小分子化合物DNMDP誘導的細胞死亡需要PDE3Aphosphodiesterase 3A)和SLFN12 (Schlafen family member 12) 的參與12019年,王曉東團隊發現高濃度的雌二醇(17-β-estradiol, E2)可以誘導線粒體凋亡通路發生,并通過高通量化合物篩選和CRISPR-Cas9全基因組篩選發現,PDE3ASLFN12是參與該凋亡通路的關鍵基因(Molecular Cell | 王曉東團隊發現雌激素誘導細胞凋亡的分子學機制及其生理學意義)。當E2分子直接結合PDE3A后,會進而促進SLFN12PDE3A復合體的形成,然后抑制SLFN12的降解。積累的SLFN12與核糖體結合,阻斷了SRPSignal Recognition Particle)與核糖體的結合,抑制蛋白翻譯,導致細胞內的膜分泌蛋白無法在內質網上合成,包括抑凋亡蛋白Bcl-1Mcl-1的翻譯,從而引起凋亡發生2。隨后,艾有為和安然等人也分別發現生物堿小分子nauclefine和已知的PDE3的抑制劑anagrelide同樣也能激活PDE3A-SLFN12通路,介導細胞死亡3,4。這些化學結構不同的化合物誘導的細胞凋亡能夠被其他已知的PDE3A抑制劑trequinsin cilostazol所抑制。為何這些結構不同的小分子都能結合PDE3A,以及結合以后能夠造成截然相反的后果,成為了進一步探索的課題。


2021年1027日,北京生命科學研究所的王曉東團隊聯合王宏偉團隊,黃牛團隊和齊湘兵團隊在Nature Communications雜志上發表了題為“Structure of PDE3ASLFN12 Complex and Structure-based Design for A Potent Apoptosis Inducer of Tumor Cells”的研究論文。該文章解析了三種結構不同的小分子化合物 (anagrelide, nauclefine, DNMDP) 處理條件下的PDE3A-SLFN12復合物結構,通過對復合物結構的分析,獲得小分子與蛋白復合物相互作用的關鍵結構信息。基于所獲得的PDE3A-SLFN12復合物結構模型與結合模式,作者選用了臨床上藥代動力學、藥效學和安全性都較好的anagrelide作為目標分子進行計算機模擬和進一步優化改造。結果表明,改造后的anagrelide類似物誘導細胞發生凋亡的活性更高,且在小鼠成瘤模型實驗中,具有更強的抑制腫瘤生長的潛力。


聯合團隊首先使用不同小分子化合物 (anagrelide, nauclefine, DNMDP) 處理HeLa細胞,并借助免疫共沉淀法,使用FlagHA雙標記的SLFN12純化了SLFN12與內源性蛋白PDE3A相互作用的復合物。清華大學王宏偉團隊的劉楠博士通過冷凍電鏡解析了高分辨率的小分子-PDE3A-SLFN12復合物結構。結構顯示 PDE3A SLFN12 形成蝴蝶狀異四聚體復合物。anagrelideDNMDP nauclefine分子的親水側與 PDE3A 的催化口袋結合,而其疏水部分延伸至 SLFN12并與之形成疏水相互作用。這些小分子像“分子膠水”一樣將兩種蛋白質“粘合”在一起(圖1)。

1 小分子-PDE3A-SLFN12復合物結構


其中,anagrelide是治療血小板增多癥的一種上市藥物,作者證實了anagrelide正是通過PDE3A-SLFN12通路直接誘導了血小板生成的前體巨核細胞(MKs)的凋亡,從而減少MKs細胞產生的血小板數量,起到抗血栓的作用。那么腫瘤細胞中是不是也存在這樣的一個通路,是不是可以嘗試通過激活該通路達到誘導腫瘤細胞死亡的目的?為此,根據小分子與PDE3A-SLFN12復合物結合的關鍵結構域,北京生命科學研究所黃牛團隊以anagrelide為目標,利用計算機模擬出了增強與SLFN12結合的分子;齊湘兵團隊基于計算結果和結合模式設計與合成了更“粘”的分子膠水。驗證發現,anagrelide類似物A6誘導細胞發生凋亡的活性可以達到pM級別。此外,在小鼠成瘤模型實驗中,A6也具有更強的抑制腫瘤生長的潛力(圖2)。

2 anagrelide類似物A6有效的促進細胞凋亡和抑制腫瘤生長

該工作揭示出:不同結構的化合物都能結合PDE3A是因為該蛋白的底物結合區域能夠容納結構不同的化學基團。而這些化合物激活還是抑制PDE3A-SLFN12細胞凋亡通路依賴于該分子是否具有能和SLFN12結合從而把PDE3ASLFN12“粘”在一起的分子膠水的性質。基于復合物的結構來改造優化分子膠水這個性質,則創造出了更有效的細胞凋亡誘導分子,為開發新型腫瘤治療藥物,奠定了科學基礎。


原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26546-8.pdf


參考文獻

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4. An, R.; Liu, J.; He, J.; Wang, F.; Zhang, Q.; Yu, Q., PDE3A inhibitor anagrelide activates death signaling pathway genes and synergizes with cell death-inducing cytokines to selectively inhibit cancer cell growth. Am J Cancer Res 9, 1905-1921 (2019).

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