抗肿瘤分子靶向性聚糖结构与功能机制研究

Proteoglycans on cell membrane play vital roles in the development of cancer. However, its mechanism is not clear yet. There are few reports on the fine structure and molecules targets of glycans with anti-cancer bioactivities. Supported by the three previous grants from National Natural Science Foundation of China (NSFC), we found for the first time that glycans from plants whose structure is similar with that of glycan on the cancer cell membrane could inhibit the growth of cancer cell by targeting bone morphogenetic protein BMP2, its receptors and some function molecules such as microRNAs. However, owing to the structure diversity of glycan and its microheterogeneity, its comprehensive molecular targets, fine structure characteristics such as co-crystal structure of glycan and functional protein, and the corresponding mechanism are vague. The aim of this project is to study the molecular targets and structure characteristics of different type of anti-cancer glycans. Based on the aforementioned understanding, the functional mechanism of cell membrane proteoglycan will be elucidated by using the glycan as probe which has mimic structure with that of proteoglycan on cell membrane. We try to make breakthrough on the study of co-crystal structure of the glycan and functional protein. In addition, the novel targets with new functional mechanism of the glycan will be also understood. The project can not only help to clarify the functional mechanism of endogenous proteoglycan on cell membrane, but also provide solid theory foundation for anti-cancer drug discovery.

细胞膜蛋白聚糖在肿瘤的发生发展中担任关键角色，但详细的功能机制并不清楚；而已发现的抗肿瘤活性聚糖，其精细结构及分子靶向性仍然鲜见报道。在早期三个面上项目的资助下，我们首次发现来源于动植物中与肿瘤细胞膜糖链结构类似的聚糖可以靶向骨形态发生蛋白BMP2及其受体以及microRNA等功能分子，进而抑制肿瘤细胞的生长，但由于聚糖结构的多样性与微观不均一性，其广泛的分子靶向性及其与功能性蛋白质等分子相互作用的精细结构特征（如晶体结构）及其功能机制仍不清晰。本项目将研究不同结构类型抗肿瘤活性聚糖的分子靶向性及其详细结构特征，在此基础上以与细胞膜蛋白聚糖相似结构的聚糖为探针研究肿瘤细胞膜蛋白聚糖的功能机制。本项目将在聚糖与功能性蛋白质共晶的晶体结构研究上取得突破，并发现聚糖新的靶向性及其功能机制。研究项目不但可以帮助阐明内源性细胞膜蛋白聚糖的的功能机制，而且为聚糖类抗肿瘤药物的发现研究提供坚实理论基础。

糖链在生命体中担任重要角色，但其结构解析困难和靶向性不明确是迟缓该领域发展的关键原因之一。肿瘤细胞膜上聚糖可促进肿瘤细胞的生长，侵袭和转移。而来源于天然产物的聚糖可以干扰细胞膜上聚糖的功能从而抑制肿瘤细胞的发生和发展。但无论内源性聚糖还是外源性聚糖的靶向性远未清楚。我们以细胞膜蛋白聚糖上硫酸乙酰肝素糖链及其类似物为探针，瞄准聚糖的靶向性，结构与功能机制科学问题，主要研究不同结构类型抗肿瘤活性聚糖的分子靶向性及其结构特征，在此基础上阐明聚糖抗肿瘤的分子机制，其中在下面四个方面取得了突破。1，首次发现肝素六糖糖链可以和C-5异构化酶（Glce）结合产生共晶，并解析了其结构及酶活机制。2，发现和验证了聚糖抑制血管生成和肿瘤细胞生长10个(Gal3， Gal-7，EGFR，BMP4，EGF，PI3K，VEGF，VEGFR2，Integrin，Glce)新的靶分子。3，多数生物学家对大分子多聚糖（多糖）是否能被肠道吸收一直是持怀疑态度，我们首次阐明了多糖肠道吸收机制，发现1,3-连接和1,4连接的蛋白聚糖可以和细胞肠道上皮细胞膜上的网格蛋白clathrin及其伴侣蛋白结合，通过EGFG，Wnt，NF-κB信号通路被吸收进入血液循环系统。4，解析了20种聚糖结构，阐明了9种聚糖介导miRNA，抑制血管生成和肿瘤细胞生长的分子机制。在上述研究的基础上，发现了5个先导化合物，确定三七花多糖为新的抗胰腺癌候选新药，该多糖可以同时靶向galectin-3/EGFR/BMP2/Integrin四个靶分子抑制肿瘤血管生成和胰腺癌细胞的生长。项目实施使我们首次较系统阐明多糖口服后，通过肠道吸收进入血液循环系统到达肿瘤部位，靶向肿瘤细胞膜上关键蛋白质发挥抑制肿瘤细胞生长的分子机制。该项目的完成为聚糖的靶向性及其分子机制提供了示范及坚实的理论基础，在基于聚糖的创新药物研究上具有广泛潜在的应用价值。