腺花素清除白血病起始细胞的分子机制

Recently, we demonstrated that adenanthin, a natural compound, could induce cell differentiation in ATRA-sensitive and –resistant acute promyelocytic leukemia cells, decrease the amount of leukemia initiating cells, and prolong the survival of ATRA-sensitive and –resistant leukemic mice. In order to clarify the mode of action of adenanthin, we cooperate with chemist to modify adenanthin. Using the biotin-labeled adenanthin as a probe, in combination with proteomics and genomics, we successfully identifed that peroxiredoxin I/II are the target of adenanthin, which mediated the differentiation inducing effect of adenanthin. This work has been published in the journal of natural chemical biology. However, the mechanisms underlying adenanthin-induced elimination of leukemia initiating cells are currently unknown. In this project, we plan to use adenanthin as a tool to investigate the role of Prx I/II in leukemia initiating cell differentiation, clarify the mode of action between Prx I with adenanthin by co-crystal analysis. Based on this work, we will also develop novel Prx I targeting compound to enhance the leukemia cell differentiation. This poject may provide novel strategy to regulate the cell fate of leukemia intiating cells.

天然小分子化合物腺花素能够诱导对ATRA敏感和耐药的APL细胞分化，显著减少APL小鼠体内白血病起始细胞（leukemia initiating cells，LIC）的数量，并且延长对维甲酸敏感和耐药的APL小鼠的生存时间。为发掘腺花素的直接作用靶点，发现和揭示新的作用机制，我们打破学科界限，和化学家合作，成功构建了生物素标记的活性腺花素分子探针，并应用该探针结合蛋白质组学、功能基因组学技术，发现氧化还原酶Peroxiredoxin I（Prx I）是腺花素发挥效应的分子靶点。然而Prx I介导腺花素诱导分化效应的具体信号传导通路，尤其是腺花素如何在小鼠体内清除LIC还有待深入挖掘。本项目拟在此基础上，进一步揭示Prx I如何介导腺花素的诱导分化效应，并以Prx I为靶点发现和获得具有自主知识产权的白血病细胞诱导分化剂（或先导化合物）。这对推动白血病发病学和治疗学基础研究具有重要意义。

在前期研究中，我们发现腺花素能够通过靶向peroxiredoxin （Prdx）I诱导白血病细胞分化，提示Prdx I是一个潜在的靶标。但是，这一概念还未得到进一步证实。本项目通过计算机虚拟筛选和体外Prdx I活性测试分析，发现一种小分子H7能够抑制Prdx I活性。和腺花素的共价结合模式不同，表面等离子共振检测显示H7与Prdx I迅速结合和解离，两者可能以非共价方式结合。通过细胞热力学迁移实验，我们进一步证实，两者在细胞内的复杂环境中，也能够发生结合。相反，H7不能结合Prdx家族中Prdx IV等成员。H7能够引起细胞内活性氧水平升高，并且诱导NB4细胞分化。在NB4细胞中敲除Prdx I可以促进H7的诱导分化效应，反之，在NB4细胞中过表达Prdx I可以抑制H7的诱导分化效应。H7的分化效应不限于NB4细胞。在其它类型的白血病细胞如U937，HL60以及原代白血病细胞中，H7也可以上调细胞表面分化抗原CD11b和CD14的水平，诱导细胞出现核浆比例缩小，细胞核凹陷，核染色质浓缩等细胞分化表现。活性氧清除剂N-乙酰半胱氨酸可以显著抑制H7诱导的白血病细胞分化。H7可以活化细胞内的AKT，ERK1/2信号通路。但是敲除AKT对H7诱导的分化没有相应，而抑制ERK1/2则显著抑制H7的分化效应，并抑制造血分化转录因子C/EBP的表达。敲除C/EBP同样抑制H7的分化效应。这些结果提示，H7可能通过活性氧- ERK1/2- C/EBP信号通路诱导细胞分化。我们还检测了H7对白血病小鼠的体内效应，结果发现，H7同样可以在体内诱导小鼠白血病细胞分化。但是，H7未能显著延长白血病小鼠的生存时间，这可能与H7的毒性有关。因此，进一步对H7进行优化，降低其毒性，是今后工作的一项重要任务。上述结果显示，Prdx I是一个重要的白血病细胞分化的作用靶标。此外，为了明确腺花素和Prdx I的相互作用关系，我们通过对Prdx I和腺花素共结晶分析，发现腺花素能够和Prdx I Cys173结合，其中F50A, L147A，V51A三个残基参与了这种相互作用的形成。并且，腺花素和PrdxI共价结合的产生会导致Prdx I构象的改变。这为今后Prdx I小分子抑制剂的设计优化提供了有价值的信息。