小分子探针控制下肿瘤细胞中HDAC信号传导的研究

HDAC (组蛋白去乙酰化酶) 作为细胞中控制信号传导的核心蛋白质之一，在多种恶性肿瘤异常表达，破坏细胞内蛋白质的稳态平衡，成为肿瘤耐药性和侵袭性的分子基础之一。虽然HDAC异常表达与多种癌症之间的功能关系已确立，但是其参与信号传导的机理在很多方面仍然未知。其中一个重要原因是HDAC的生物功能需要通过形成蛋白质复合体来实现。发展研究HDAC复合体的组成，及其动态过程的相应探针技术，是分子医学中的一个前沿领域。本项目以小分子HDAC抑制剂为探针，引入一种新颖的技术：DNA模板控制；通过DNA模板赋予小分子探针对HDAC及蛋白质复合体的探测，捕获，动态成像的能力，对细胞凋亡信号传导过程进行调控。为阐明HDAC及其复合体的分子机理，在肿瘤细胞中的病理，发现新的药物靶点，开发新颖抗癌药物，进行探索和研究。

小分子作为探针，调控细胞中信号传导通路，是化学生物学中的重要方法。准确地识别探针和蛋白质之间的相互作用，是理解分子探针生物活性和分子机理的基础。现有探针技术存在着灵敏度，选择性和探针设计等方面的局限性。本项目通过模板控制原理，将小分子和DNA结合，发展了一种新颖的分子探针技术：DNA-Programmed Affinity Labeling (DPAL)。DPAL 使用DNA双探针系统，将小分子和蛋白质的结合与对蛋白质的标记分离开来，有效地解决了标记基团对与蛋白质结合的影响，使探针的设计大大简化。DPAL被应用于多种小分子的靶点识别工作，显示出非常高的灵敏度和专一性。利用DNA碱基序列的选择性，我们实现了多元化的靶点识别；进一步将DPAL应用到蛋白质-DNA相互作用，成功地识别了和特定DNA序列结合的转录因子蛋白。对于传统光交联探针来说，由于光交联基团对于蛋白质-DNA之间相互作用的影响，而无法识别相应的转录因子。DPAL的引入从根本上解决了这个问题。第二，通过合作，我们完成了对于特拉唑嗪的新靶点和机理的研究工作。特拉唑嗪是一个常用降血压药物。我们发现其具有在败血症中抑制细胞凋亡和器官衰竭的功能。研究证明该活性不是来自于其已知靶点1-肾上腺素受体。我们通过DPAL识别了其新靶点pgk-1，并且解释了特拉唑嗪激活pgk-1，促进糖酵解，激活HSP90，从而抑制细胞凋亡的分子机理。在pgk-1过表达小鼠模型中也验证了这一机理。我们对特拉唑嗪进行了结构改造，成功地消除了它对于已知老靶点1-肾上腺素受体的拮抗作用，但是仍然保持了对新靶点pgk-1的激活能力。这样就为进一步将特拉唑嗪发展成新型抗败血症药物，实现老药新用，奠定了化学基础。同时，我们所发现的特拉唑嗪对于pgk-1下游细胞凋亡信号传导通路的调控，为基于pgk-1和糖酵解的相关小分子探针设计和应用，提供了一种新颖的探索途径。第三，我们进行了利用DPAL 进行研究小分子探针和蛋白质相互作用的工作。其中包括天然产物motuporamine 的靶点识别，以及基于小分子抑制剂的肿瘤细胞中HDAC蛋白质复合体的研究工作。本项目的研究成果提供了一种新颖的分子探针技术。利用DPAL进行的靶点识别工作不但阐明了小分子探针的机理，这些成果还为本项目的进一步延伸，进行更加深入的药物化学的研究提供了良好起点。