基于细胞代谢组学和模式生物相结合探讨雷公藤红素抗白血病作用机制研究

Leukemia is a hematological malignancy with the highest incidence rate among children and people under the age of 35. Celastrol, as one of the most important active monomers of Tripterygium wilfordii Hook.f. extract，has good anti-cancer activity including anti-leukemia. But the exact mechanism is ambiguous. We have demonstrated that celastrol could inhibit the proliferation and induce apoptosis of leukemia cell HL-60. At the same time the cell metabolomics experiment indicated that uridine metabolic abnormality happened to HL-60 after treatment with celastrol. This let us make a hypothesis that celastrol exerts its anti-leukemia effect by interfering with the uridine homeostasis. In order to confirm this hypothesis，uridine will be added into the medium to verify its effect on apoptosis of leukemia cell. Then we will screen and validate the key enzyme involving in uridine metabolic from CDA、UPP and NT5E. Finally, we will elucidate the role of the key enzyme in apoptosis induced by celastrol. Of course, the results of cell experiments will be confirmed in mouse leukemia cell xenograft models. All in all, our study provides basis for the metabolic intervention treatment. It has great significance for the discovery of new anti-tumor target and research & development of new anti-leukemia drugs.

白血病是儿童及35岁以下人群死亡率最高的恶性血液疾病。雷公藤红素作为雷公藤提取物中最重要的活性单体，具有良好的抗癌活性。然而将其用于白血病治疗的作用机制尚不明确。我们前期研究提示雷公藤红素能显著抑制人急性髓性白血病HL-60细胞增殖并诱导其凋亡，且可能是通过干扰尿苷代谢诱导凋亡进而发挥抗白血病效应。本项目拟首先在细胞层面通过尿苷添加实验，明确尿苷在雷公藤红素致白血病细胞凋亡中的作用；进而检测CDA、UPP、NT5E三种酶的表达和活性并对其活性和\或表达进行干预，从中筛选出影响尿苷代谢的关键合成酶并明确其在细胞凋亡中的作用。然后在荷瘤裸鼠整体动物模型上通过雷公藤红素治疗、尿苷代谢干预，同时检测白血病相关指标，进一步在模式生物上验证和明确雷公藤红素抗白血病的效应及尿苷代谢在其中的作用。本研究将为雷公藤红素治疗白血病提供重要理论基础，为代谢治疗白血病提供新靶点，对抗白血病的新药研发具有重要意义。

运用基于UPLC-Q-Exactive技术的细胞代谢组学方法，对192个代谢物进行了检测。发现经雷公藤红素处理后，参与HL-60细胞能量代谢、核酸代谢、谷胱甘肽代谢、氨基酸代谢等生命活动的39种胞内代谢产物发生了显著改变。其中，以尿嘧啶核苷、胞嘧啶核苷、脱氧胞嘧啶核苷的变化最为突出。推测尿苷可能在雷公藤红素通过p53介导的线粒体途径诱导HL-60细胞凋亡的过程中发挥了关键的作用。在此基础上，进一步探究雷公藤红素导致尿苷含量下降的分子机制。发现雷公藤红素可通过下调DHODH的表达抑制UMP的从头合成途径，导致以尿苷为底物的补救生物合成途径代偿性增强，从而大大降低了尿苷的含量。然后构建荷瘤裸鼠模型，研究雷公藤红素体内抗白血病的效应。应用靶标代谢组学方法，在动物体内验证细胞实验发现的尿苷代谢改变结果，进一步明确了雷公藤红素的作用靶点及其作用规律。第一次从全新的视角提出了雷公藤红素对人急性髓性白血病HL-60细胞潜在效应的新途径，即雷公藤红素可以通过“DHODH诱导尿苷代谢紊乱/p53/线粒体途径”诱导HL-60细胞凋亡，进而发挥抗白血病作用。本课题为研究雷公藤红素的药效学分子机制提供了新的认识，为研究中药活性单体的药效学和分子机制提供了重要的方法参考。