狼蛛多肽毒素lycosin-I选择性抗癌活性的分子机制研究

Anticancer peptides are potential for the development of novel anticancer drugs with high efficacy and low side effects. The action mechanism as well as structure and function investigations are required in promoting anticancer peptides to clinical application. In our previous studies, we identified a peptide toxin from wolf spider venom. This spider peptide, named lycosin-I, has potential and specific inhibitory activity against cancer cells. It was found to directly target cell membrane lipids, and the specific binding to membrane lipids might be considered as the key factor for the specific anticancer activity of lycosin-I. Unlike many other anticancer peptides, lycosin-I at the low concentrations could not directly lysis or permeate cell membrane, but it might indirectly regulate membrane proteins and complexes and involved signaling pathway by changing the membrane structure. In the study, the membrane lipids that specifically bind to the peptide, and the proteins and complexes that are regulated by the peptide will be identified. The roles of the membrane lipids and proteins and complexes in the specific anticancer activity of lycosin-I will be elucidated. The data from this study would improve our understanding of action mechanisms of anticancer peptides, and provide basis for the development of anticancer drug by using lycosin-I.

抗癌活性肽在高效安全的新型抗癌药物研发中有广阔前景，其作用机制及结构与功能关系的阐明是该领域的关键科学问题。狼蛛多肽毒素lycosin-I是一个高活性和高选择性的抗癌活性肽，其作用靶点是细胞膜，与细胞膜专一性结合是其选择性的关键；与多数抗癌活性肽不同，在较低的浓度下，它并不导致细胞膜裂解或通透性增加，而是通过改变细胞膜结构间接调控膜蛋白及复合物的功能及偶联的信号通路行使抗癌活性。以解析该多肽的作用机制及结构与功能关系为目标，本课题基于前期基础提出了其作用机制研究的新策略：即通过鉴定与lycosin-I专一性结合的膜脂质分子阐明选择性分子机制、及通过揭示lycosin-I调控的膜蛋白和复合物变化阐明抗癌活性分子机制；并通过探明影响该多肽选择性和活性的物理化学特征，阐明结构与功能关系。本研究将发现和阐明抗癌活性肽选择性抗癌作用的新机制，并为基于lycosin-I研发抗癌药物奠定理论基础。

抗癌肽(ACPs)因高活性，作用迅速不易产生耐药性特点而备受关注。本项目研究对象Lycosin-I分离纯化于新疆穴居狼蛛，为线型双亲性阳离子抗癌肽，具有较好的活性与选择性，但其抗癌性能仍有待提升，作用机制有待解析。立足于Lycosin-I的不足，本项目主要内容分为两部分：采用多种策略优化Lycosin-I的抗癌性能，解析了Lycosin-I的作用机制，尤其是与细胞膜相互作用。通过一系列研究，本项目取得了多个创新性结果，主要有：1) 通过氨基酸替换策略，将序列中K替换成R，所得改造体R-lycosin-I具有更强的细胞毒活性(提升了2倍)且选择性不变；2) 基于R-lycosin-I，我们采取糖基化修饰策略，对其进行多种单糖修饰，以多种物化参数深入解析了糖肽活性选择性变化。值得注意的是，仅葡萄糖修饰R-lycosin-I (8a)活性和选择性同时提升，深入研究表明其性能提升是由葡萄糖转运体(GLUT 1)所介导的。作用机制表明：8a与细胞膜结合以后能够以裂解细胞膜的方式诱导细胞死亡，在低浓度时，8a能穿透细胞膜，引发线粒体凋亡途径。体内研究表明，8a具有更优的肿瘤靶向性，能显著的抑制瘤体的增殖。针对Lycosin-I系列多肽细胞毒活性不强，稳定性差的缺陷，我们对其进行了脂肪酸化修饰，主要分为两个部分：3) 不同碳链长度的脂肪酸修饰极大增强了R-lycosin-I的细胞毒活性(提升3-6倍)，其中月桂酸修饰多肽活性最高，血清稳定性最好。4) 基于月桂酸修饰，以Lycosin-I序列中均匀分布的K为定点修饰位点，对其做了不同位置月桂酸修饰，利用物化参数变化解析了位置异构体活性的变化，其中脂肽L-C12活性提升了近14倍，具有显著的体内抗黑色素瘤迁移以增殖双重效果。机制研究表明，L-C12与细胞膜结合后，发生构象转变，基于强疏水性分割细胞膜，致使膜裂解，细胞死亡。综上所述，本项目分阶段采用多种策略优化了Lycosin-I的抗癌性能，极大提升了其成药性，为将其开发成一个优质的药物先导分子奠定基础；Lycosin-I与细胞膜作用方式及其构效关系解析，为深入阐明其诱导细胞死亡方式提供了有效支撑；上述成果的获得亦为本领域抗癌肽的优化改造提供了宝贵经验与指导。