核磁共振研究金属药物的细胞摄取与转运的分子机制

Platinum drugs have been successfully used in clinic for the anticancer treatment. It is widely accepted that DNA is the target of platinum drugs; however, proteins play important roles in the drug uptake and efflux, intracellular transportation, DNA repairs. These functions could determine the cell sensitivity and resistance to drugs.. In the project, we will study the interactions between platinum drugs and relevant proteins using 1H, 13C, 15N and 195Pt NMR. The kinetics of reactions, drug binding sites, and the recognition between proteins and various platinum complexes will be investigated. These studies aim to elucidate the molecular mechanism of cellular uptake and efflux of metallo-drugs. We will also study the protein functions perturbation resulted from the platination in order to understand the contribution of proteins in the mechanism of metallo-drugs. The recognition of protein to the platinated DNA will be determined as well. The roles of ligands and coordination structure of platinum drugs will be investigated by comparing the platinum drugs with the inactive complexes in the protein interactions. We expect these studies will provide molecular insight into the mechanism of platinum drugs and the fundamental knowledge for the new metallo-drugs design.

铂类药物已成功地应用于肿瘤的临床治疗，其作用靶点是DNA。然而，蛋白质在铂类药物的细胞摄取与泵出、胞内传递、DNA损伤修复等方面发挥关键的作用，这些作用决定了肿瘤细胞对铂类药物的敏感性和耐药性。. 本课题将以核磁共振为主要手段，采用1H、13C、15N、195Pt的一维和多维NMR技术，研究铂配合物与相关蛋白质的反应与转运过程的物理化学问题，通过药物反应动力学、药物结合位点与结合方式、蛋白质对不同金属配合物的选择性、以及蛋白质结构变化等研究，从金属药物的胞内转运到细胞泵出、蛋白质对Pt-DNA 复合物的识别等方面，探讨蛋白质与金属药物的作用机理；通过研究金属药物对蛋白质功能影响，掌握蛋白质在药物作用机理中的贡献；通过比较不同配位结构的活性与非活性铂类药物与蛋白质作用，探讨蛋白质的作用方式与金属药物的活性之间的关系，为新型金属抗肿瘤药物的设计提供理论依据。

蛋白质在金属抗肿瘤药物的细胞摄取与泵出、胞内传递、DNA损伤修复等方面发挥关键的作用，这些作用决定了肿瘤细胞对铂类药物的敏感性和耐药性，然而目前对金属药物与蛋白质的作用掌握甚少。本课题通过多种核磁共振技术研究了铂类、砷类金属药物与金属蛋白的作用，对不同种类的铂类药物的反应活性与差异进行了分析，包括顺式铂配合物（顺铂、奥沙利铂）、反式铂配合物（trans-DDP、trans-EE、trans-PtTz等）、单功能铂以及四价铂配合物等。系统研究各种金属药物与铜蛋白、锌指蛋白等DNA结合蛋白的作用，获得有关反应速度、结合位点、产物的配位结构等信息；分析具有不同配位结构的铂配合物与蛋白质的作用差异、配位结构与配位性质对蛋白质反应的影响，通过药物与金属伴侣蛋白的复合物与上游、下游蛋白的反应，细胞内生物小分子和金属离子对反应活性的影响，掌握金属蛋白对不同活性铂配合物的作用机理的贡献。研究结果表明，铂类金属药物利用铜的细胞代谢途径实现药物的摄取与外排，这一过程与细胞的耐药机制相关；发现Cox17可以将顺铂转运至线粒体，而且这一过程对顺铂的细胞毒性有贡献；金属药物对各种蛋白质具有不同的选择性，并且细胞溶液条件可以改变金属药物的反应活性与蛋白质的选择性，而通过调控细胞中相关蛋白表达水平可以提高顺铂的细胞活性；As2O3可以与不同的锌指蛋白作用、并导致蛋白质的锌逐出、构象改变、破坏DNA识别等，不同类型的锌指蛋白的反应活性不同，而生物小分子和溶液环境可以促进蛋白质的反应；此外，建立了蛋白质中特定氨基酸的选择性标记方法用于研究细胞内药物作用的NMR研究方法，通过非天然氨基酸标记方法研究药物与蛋白质在细胞原位条件下的作用。本课题的研究详细分析了细胞内蛋白质与金属药物的作用，有助于从分子水平理解铂药物的细胞摄取、胞内转运和泵出机制，为掌握蛋白质在细胞内转运铂药物的原理、理解金属药物的耐药性、以及金属抗肿瘤药物设计提供理论依据。