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《化学之谜揭晓:研究人员发现了分子不寻常的细胞杀伤机制》

  • 来源专题：人类遗传资源和特殊生物资源流失
  • 编译者： yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间：2020-04-07

  • 2015年，杰克•伊顿(Jake Eaton)加入麻省理工学院(MIT)布罗德研究所(Broad Institute of MIT)和哈佛大学(Harvard)斯图尔特•施赖伯(Stuart Schreiber)的实验室后不久，这位博士后研究员就对同事们正在辩论的一些疯狂理论产生了兴趣。这些理论集中在一种被称为ML210的奇怪小分子上，它可以通过启动一种叫做铁作用的细胞过程来杀死细胞。Schreiber实验室的博士后Vasanthi Viswanathan发现，诱导上铁作用可以杀死一些耐药癌细胞。Eaton、Viswanathan和Schreiber认为，理解ML210如何触发这一过程，可以为如何开发治疗对现有疗法产生耐药性的癌症的药物，或在一开始就预防耐药性打开秘密。

    伊顿和他的同事们知道，ML210通过抑制GPX4(一种保护细胞免受氧化应激的蛋白质)来诱导铁中毒。他们推测这是通过与蛋白质形成一种特殊的化学连接，称为共价键来实现的。问题是，ML210的化学结构没有明显的方式来形成共价键，这导致持怀疑态度的科学家对它如何能够与GPX4结合产生了一些牵强的猜测。

    “我们想知道，‘它是否以一种不同的方式绑定GPX4 ?它是作用在GPX4通路的其他节点上，还是在做一些全新的事情?”,”伊顿说。“这是一个真正的化学之谜。”

    现在，经过多年的研究，布罗德研究所的科学家们与拜耳公司的科学家们合作，已经解决了这个化学难题。在《自然化学生物学》的一项研究中，他们发现ML210在细胞内转变成一个新分子，这个新分子又转变成第三个分子，然后与GPX4共价结合。他们揭示的机制是极其不寻常的，并证明了一种未被认可的方式，即像ML210这样的“前药物”可以转化为分子，使其能够与细胞内的靶蛋白共价结合。

    在这项研究中，科学家们描述了一组新的化合物，他们可以利用这些化合物来进一步了解细胞是如何进行上铁作用的。上铁作用是10年前才发现的一个过程。此外，这些分子是开发化合物的起点，这些化合物不仅可以在培养皿中抑制GPX4并杀死耐药癌细胞，还可能用于动物模型甚至病人。

    “我记得我说过，‘恐怕我要把这个ML210的秘密带进坟墓’，”合著者施赖伯说。施赖伯是布罗德研究所的联合创始人和核心成员，也是哈佛大学化学和化学生物学系的莫里斯·勒布教授。就像剥洋葱的许多层一样，杰克一步一步地揭示了细胞赋予ML210的迷人的化学反应序列，这在有机化学中几乎没有先例。这是杰克出色的分子侦查工作。”

    绑定之谜

    近10年前，曾在施赖伯实验室学习的现为哥伦比亚大学教授的布伦特•斯托克韦尔首次正式描述了上铁血症。在上铁作用中，细胞膜上的脂质分子被氧化，导致一种叫做脂质过氧化物的有毒分子积聚，最终杀死细胞。GPX4通过将脂质过氧化物转化为无毒化合物来保护细胞免受这种死亡。

    维斯瓦纳坦是从斯托克韦尔实验室移植到施赖伯实验室的，他推断一种能破坏GPX4的分子可能会成为一种新型抗癌药物的灵感来源。然而，GPX4是一个具有挑战性的目标，因为它平坦、无特征的化学结构没有明显的药物结合部位。

    2010年,一个小分子发现努力叫做分子图书馆调查生产中心网络,广泛的研究所的部分,发现了一些化合物结合GPX4和诱导ferroptosis——其中两个属于一个类的分子称为氯乙酰氨,共价结合GPX4。但这些化合物不适合用于药物开发或动物研究，因为它们具有高度的活性，会破坏许多其他蛋白质，导致意想不到的副作用。它们也不太可能在体内停留足够长的时间来结合和阻止GPX4。

    2010年筛选的第三种化合物是ML210，这是一种“离群化合物”，在化学性质上与氯乙酰氨基化合物不同。Eaton和Viswanathan研究了来自癌症治疗反应门户网站的ML210数据，该网站是由Broad的研究人员开发的数据库，部分由国家癌症研究所(National Cancer Institute)赞助。从数据上看，ML210通过与GPX4形成共价键，与氯乙酰氨基类似。令研究人员感到困惑的是，ML210不包含“共价弹头”，这是一种关键的化学结构，可以让它以这种方式与GPX4配对。

    前所未有的机器

    为了探究ML210是如何抑制GPX4的，该团队需要更好的方法来在实验室中研究GPX4。他们与拜耳的同事开发了一种系统，可以在哺乳动物细胞中过度表达GPX4蛋白，并制作了一些实验来研究分子与GPX4之间的相互作用。

    伊顿说:“这种特殊的产学研合作的一大好处就是克服了我们在这项研究中遇到的一些问题。”“我不认为我们凭一己之力就能克服这些挑战。”

    分析证实，ML210实际上是通过共价结合抑制GPX4的，而且其抑制作用比两种氯乙酰氨基化合物要精确得多。

    这一暗示导致伊顿进一步的化学探测工作，揭示了ML210在细胞中经历了一些不寻常的化学转变，以获得结合和抑制GPX4的能力。ML210首先被转化成一个化合物，该团队将其命名为JKE-1674。细胞将这种化合物转化成另一种不同寻常的分子JKE-1777，这种分子能够与GPX4共价结合。

    尽管JKE-1777在细胞外是不稳定的，但该团队合成的JKE-1674和相关化合物对GPX4是稳定的和选择性的，比ML210更适合用于动物模型，甚至病人。

    前所未有的机器

    在《美国化学学会杂志》的一篇相关论文中，研究人员描述了另一组化合物diacylfuroxans，它也能共价抑制GPX4。虽然这些化合物的选择性不如ML210或JKE-1674，也不太可能有治疗作用，但这项联合研究帮助科学家理解了ML210研究中的新发现。

    “这些化合物是化学生物学历史上前所未有的分子机器，因为它们具有不同寻常的多层化学特征，而这些特征是它们的特性的基础，”Schreiber实验室的博士后助理Vasanthi Viswanathan说。

    还有更多的工作要做，以确定是什么细胞过程引导ML210转化为其活性形式，以及这些分子是否可以用于动物模型，甚至用于人类作为治疗化合物。

    如果这些分子或它们的变体被证明是有希望的新疗法，它们可能会产生一种新的药物，有一天可以帮助对抗耐药肿瘤。

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  • 《研究人员发现新药物家族的新成员为“不可用药”的目标》
    • 来源专题：人类遗传资源和特殊生物资源流失
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
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