物质学院林柏霖团队首次揭示古老戒酒药背后定向杀死癌细胞的全新通用化疗机制

ON2019-03-24CATEGORY科研进展

“该工作将可能带来通过这个机制实现更精准针对癌细胞的分子”

                                                                                           ——美国约翰霍普金斯大学药学院Carducci教授

“突破性的”(ground-breaking)工作,不仅“从基础化学层次为Cu(DTC)2的性质带来了非常重要和原创的见解”,还发展了“药物机理化学的新方法,结果具有启发性”。

——《德国应用化学》审稿人


癌症是当前威胁人类生命健康的最大杀手。化疗作为目前治疗癌症的主要方法之一,其原理是利用对细胞有毒的分子药物杀死癌细胞,对于转移性的中晚期肿瘤,化疗也是目前最有效的手段。但是,化疗药物在杀死癌细胞的同时,也会大量杀死正常细胞,造成巨大的毒副作用,严重损害了患者身心健康。如何确保药物能够定向性地杀死癌细胞,一直以来是全球重大前沿研究问题之一。

近日,8040com威尼斯娱乐场物质学院林柏霖团队通过发展药物机理研究的新方法学,首次发现了好氧生物细胞内普遍存在的还原性保护机制有着不为人知的漏洞,同时首次揭示了古老戒酒药双硫仑利用这一漏洞在临床上实现癌症广谱治疗的化学机制,为发展定向杀死癌细胞的化疗药物和方法学提供了全新的通用思路和科学基础。该工作近期以“Universal Anticancer Cu(DTC)2Discriminates Between Thiols and Zinc(II) Thiolates Oxidatively”为题在国际知名学术期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上在线发表。

人类等好氧生物的生存离不开氧气,但是细胞内又包含大量容易被氧化性环境破坏的生理功能位点。在自然基金委大科学装置联合基金培育项目(U1532125)和8040com威尼斯娱乐场启动经费的支撑下,林柏霖团队三年多来一直致力于发展二价铜离子氧化酶和蛋白质中锌硫配位位点的模型反应方法学,用于探索好氧生物这一氧化还原矛盾统一体背后的科学奥妙。

锌和铜都是生命体不可或缺的微量元素。哺乳动物体内很多重要的酶和蛋白质的核心功能单元都具有锌硫配位键。其中,在众多生理过程中起了关键作用的锌指蛋白编码序列在全基因中占有异常高的比例,达到了约1%。但是,锌硫配位单元却容易被以二价铜为代表的氧化剂所氧化破坏。因此,好氧生物体经过长期进化,构筑了以细胞内高浓度的硫醇和NAD(P)H为基础的还原性防护机制,通过对进入细胞内的氧化剂进行还原淬灭,为锌硫蛋白等易受氧化损伤的关键生理功能位点提供严密的还原性保护,从而抑制了氧化性环境带来的有害损伤。通俗而言,这一机制的功能类似于保护计算机系统免受病毒攻击的防火墙。在经典生物化学认知范式里,二价铜离子进入细胞后会被硫醇/NAD(P)H还原成一价铜离子,从而失去了其对锌硫配位单元固有的氧化破坏能力。

林柏霖团队为了探索这一机制背后的分子级别科学原理,首次借鉴金属酶研究领域经典的模型方法学,发展出了结构精准的锌硫蛋白小分子模型化合物,清晰地把二价铜氧化锌硫单元这一过程的核心基础反应活性从生物体内复杂的背景中提炼出来。首次通过实验证明,在锌硫单元和硫醇/NAD(P)H之间存在着一个细微的氧化还原反应窗口。而合适的配体,例如古老戒酒药双硫仑的体内代谢物二乙基二硫代氨基甲酸(DTC),可以把二价铜的氧化能力恰到好处地调节到这个窗口中间。

双硫仑作为一种戒酒药已经使用了近70年。它通过阻止身体分解乙醛,产生急性乙醇敏感性,包括马上产生和增强的宿醉效应。但两年前,科学家通过大范围流行病学研究发现,它的铜复合物具有临床上广谱治疗癌症的效果。林柏霖团队的发现首次揭示二价铜通过DTC的特殊调节能力,在获得了抵抗硫醇和NAD(P)H还原的能力的同时,很好地保留了其氧化锌硫单元的活性。进一步的实验结果揭示了活性质子的存在与否是导致这一特殊氧化还原反应选择性的重要因素,因此,癌细胞内的异常酸性环境会进一步强化这种选择性,对定向化疗是一个有利的因素。

基于发现的综合模型反应和已有文献信息,林柏霖团队提出了双硫仑广谱定向治疗癌症的首个可能的分子级别机制。首先,肿瘤组织会选择性富集铜离子,这个已经有相当多的文献证据。其次,双硫仑会通过常规体内代谢生成DTC,在内循环中碰到肿瘤组织后,与富集的铜离子在生成强螯合共价配位键的驱动下,原位产生强疏水性的Cu(DTC)2小分子配位化合物。这一组合使铜离子不仅避免了被调控蛋白捕获命运,还拥有了直接穿透细胞膜进入细胞内的能力。之后,在癌细胞内远高于正常细胞的酸性环境下,Cu(DTC)2因其特殊的氧化选择性,克服了细胞内还原性保护屏障,进而通过氧化细胞内包括与被泛素化蛋白隔离有关的NPL4等蛋白在内的锌指区域的锌硫位点,诱导蛋白变性。因此,包括p97-UFD1-NPL4降解癌细胞快速增殖产生残次蛋白在内的通路会被抑制,进而癌细胞被选择性杀死。

该工作首次清晰地揭示了双硫仑治疗癌症背后对好氧生物可能普适的分子级别机理,为潜在的癌症定向化疗药物和方法学开创了全新的通用机制。《德国应用化学》的审稿人高度评价该工作是“突破性的”(ground-breaking),不仅“从基础化学层次为Cu(DTC)2的性质带来了非常重要和原创的见解”,还发展了“药物机理化学的新方法,结果具有启发性”。除格式修正外,该论文未做任何调整,即被《德国应用化学》杂志直接采纳,在线发表后即获得业内关注。美国约翰霍普金斯大学药学院Carducci教授评价:“该工作将有可能促使利用这个机制,实现更精准针对癌细胞的分子”。

该论文的主要工作在8040com威尼斯娱乐场物质学院完成,8040com威尼斯娱乐场为第一完成单位。2018级博士研究生徐路燕与2015级本科生胥嘉麟为论文并列第一编辑、共同编辑;物质学院分析测试中心余娜博士参与了模型化合物的单晶结构测量和解析工作;上海应用技术大学化工学院2017级研究生朱经纬,姚子健副教授和邓维教授(共同通讯)参与了模型化合物的合成工作;中国科学院上海高等研究院光源王宇副研究员(共同通讯)参与了样品的同步辐射表征工作;8040com威尼斯娱乐场物质学院林柏霖为最后署名通讯编辑。8040com威尼斯娱乐场生命学院庄敏教授和物质学院刘海铭研究员也为课题提供了有益的讨论。


全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.201814519


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图1双硫仑治疗癌症的作用机理


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图2基于配体设计的可调控氧化还原窗口