新結(jié)構(gòu)抗腫瘤先導(dǎo)化合物Rasfonin的結(jié)合蛋白研究.pdf

1、活性小分子化合物，尤其是從植物、動物和海洋生物中分離獲得的天然產(chǎn)物，因其生物學(xué)活性豐富多樣，是新藥發(fā)現(xiàn)中的重要來源。本實(shí)驗室前期對一種來源于青藏高原海拔4千米以上的真菌Doratomyces sp.的次級代謝產(chǎn)物Rasfonin（由本研究所車永勝研究員課題組提供）進(jìn)行了系統(tǒng)的藥理學(xué)活性評價。研究發(fā)現(xiàn)，Rasfonin對ras基因突變的腫瘤細(xì)胞具有選擇性殺傷作用，對K-ras突變的人源胰腺癌細(xì)胞Panc-1的增殖、克隆形成、侵襲和遷移能力

2、均有顯著的抑制作用。Rasfonin能夠顯著抑制CD1裸鼠Panc-1異體移植瘤的生長。對Rasfonin初步的信號通路研究表明，它能夠通過下調(diào)Ras激活蛋白Sos1的表達(dá)來抑制Ras蛋白的活化，進(jìn)而抑制Ras-MAPK下游蛋白激酶的磷酸化。研究還考察了Rasfonin對包括Ras信號通路在內(nèi)的表皮生長因子受體（Epidermal Growth Factor Receptor，EGFR）信號通路相關(guān)的19種激酶活性的影響，結(jié)果表明，Ra

3、sfonin對其中大多數(shù)激酶活性均無明顯影響，僅對mTOR下游p70S6K的活性有明顯的上調(diào)作用。
　　Rasfonin抗腫瘤作用確切，它能夠通過下調(diào)Sos1蛋白的表達(dá)來抑制Ras蛋白的活化，進(jìn)而影響其下游MAPK蛋白激酶的磷酸化，現(xiàn)有的Ras抑制劑中尚未見同類報道，Rasfonin有望成為抗腫瘤先導(dǎo)化合物，但其作用機(jī)制和靶標(biāo)尚不明確。本研究對其在細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合蛋白進(jìn)行了研究。
　　新藥研究中，常用的靶標(biāo)方法可大致分為兩類：從

4、信號通路、組學(xué)數(shù)據(jù)等表型數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)的正向方法和基于化合物與靶標(biāo)親和性結(jié)合的逆向方法。正向方法通過檢測經(jīng)小分子化合物處理后信號通路、基因表達(dá)、蛋白表達(dá)、代謝物等的改變，找出小分子化合物的潛在靶標(biāo)；逆向方法則利用親和原理，直接分離小分子化合物的結(jié)合蛋白，更為直接。親和層析是利用化合物與靶蛋白的親和性結(jié)合而進(jìn)行靶標(biāo)分離的經(jīng)典的方法，通過將活性化合物固定于固相基質(zhì)表面，“釣取”其結(jié)合蛋白。該方法成功案例較多，如免疫抑制劑FK506的結(jié)合蛋白F

5、KBP12的發(fā)現(xiàn)、環(huán)孢菌素A的結(jié)合蛋白親環(huán)蛋白的發(fā)現(xiàn)、非甾體抗炎藥吲哚美辛的新結(jié)合蛋白乙二醛酶1（glyoxalase1，GLO1）的發(fā)現(xiàn)等。
　　盡管如此，小分子化合物溶解性差、與靶蛋白親和力弱等因素常會限制經(jīng)典親和層析的使用，近些年其改良方法不斷涌現(xiàn)。例如，針對高濃度的有機(jī)助溶試劑對體系產(chǎn)生的影響，Yamamoto等推出了系列親和層析法。該方法不需要設(shè)置陰性對照和競爭性對照，是將蛋白樣品連續(xù)與多個固定了小分子化合物的層析柱孵育

6、，通過比較各層析柱留存蛋白的含量變化找出特異性的結(jié)合蛋白。針對經(jīng)典親和層析法中親和能力較弱的結(jié)合蛋白容易在洗脫過程中流失的問題，可通過引進(jìn)光親和標(biāo)簽的方法，增強(qiáng)小分子化合物與靶蛋白的結(jié)合。
　　應(yīng)用親和層析這類方法時由于需要將小分子化合物固定于固相載體表面，故通常需先對小分子化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，但結(jié)構(gòu)修飾過程往往會改變其活性。2009年美國國家科學(xué)院院刊（Proceedings of the National Academy of

7、 Sciences，PNAS）報道了一種藥物靶標(biāo)辨識新技術(shù)——依賴于靶點(diǎn)穩(wěn)定性的藥物親和反應(yīng)（Drug Affinity Responsive Target Stability，DARTS)。該技術(shù)利用小分子化合物能夠誘導(dǎo)結(jié)合蛋白構(gòu)象形態(tài)趨于穩(wěn)定、從而抵抗酶解作用的這一特性，從復(fù)雜的蛋白混合物中找到被小分子化合物保護(hù)的結(jié)合蛋白。DARTS也是基于藥物-靶標(biāo)的親和性結(jié)合，但具有不需對化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾的特點(diǎn)，甚至能夠進(jìn)行成分不明的復(fù)方藥物

8、的靶標(biāo)研究，為小分子化合物結(jié)合蛋白的發(fā)現(xiàn)提供了嶄新的思路和技術(shù)手段?，F(xiàn)已有一些研究者應(yīng)用DARTS成功獲得了潛在靶標(biāo)，例如，Randall等發(fā)現(xiàn)，三羧酸循環(huán)的中間代謝產(chǎn)物α-酮戊二酸能夠延長成年秀麗隱桿線蟲的壽命，并運(yùn)用DARTS發(fā)現(xiàn)了它在此作用中的新蛋白質(zhì)靶標(biāo)——ATP合酶β亞基ATP5B；Molly等采用DARTS對葡萄籽提取物的作用靶點(diǎn)進(jìn)行了初步探究，獲得了GRP78等十余種可能的結(jié)合蛋白，為其進(jìn)一步靶標(biāo)研究提供了線索等。

9、　　本研究選擇了兩種能夠直接分離結(jié)合蛋白的方法——傳統(tǒng)的親和層析法和新技術(shù)依賴于靶點(diǎn)穩(wěn)定性的藥物親和反應(yīng)（DARTS），對Rasfonin在細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合蛋白進(jìn)行了探究，旨在獲得Rasfonin的結(jié)合蛋白，為其抗腫瘤作用靶標(biāo)和機(jī)制研究提供有效線索。
　　一、基于親和層析法對抗腫瘤先導(dǎo)化合物Rasfonin結(jié)合蛋白的研究
　　1. Rasfonin的生物素化修飾與活性檢測
　　由于親和層析法要求小分子化合物能夠被固定于固相

10、基質(zhì)，因此我們根據(jù)Rasfonin的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇了生物素-親和素系統(tǒng)作為連接媒介。本研究所車永勝研究員課題組對A304（Rasfonin）及其陰性對照物A321進(jìn)行了生物素化修飾。為了考察生物素化修飾是否改變了小分子的活性，我們采用CCK8法檢測了A304和A321及其生物素化衍生物A304-B、A321-B對K-ras基因突變的人胰腺癌細(xì)胞Panc-1細(xì)胞增殖活性的影響。結(jié)果表明，A304對Panc-1細(xì)胞增殖具有明顯的抑制作用，IC

11、50為9.07μM，與前期結(jié)果一致；A304-B的抑制趨勢與A304一致，IC50為9.5μM；A321對Panc-1細(xì)胞增殖的抑制作用不明顯，IC50為19.3μM；但A321-B的IC50略有降低，為14.09μM。結(jié)果提示，A304修飾后活性未受到較大影響，可用于親和層析實(shí)驗；而A321修飾后活性略有增強(qiáng)，可能會影響后續(xù)實(shí)驗。
　　2.基于親和層析法對Rasfonin結(jié)合蛋白的搜尋
　　2.1.應(yīng)用經(jīng)典親和層析法對Ra

12、sfonin結(jié)合蛋白的搜尋
　　本研究首先采用鏈霉親和素瓊脂糖珠作為固相基質(zhì)對 Rasfonin進(jìn)行了經(jīng)典親和層析，聯(lián)合聚丙烯酰胺凝膠電泳SDS-PAGE和考馬斯亮藍(lán)染色對各組瓊脂糖珠結(jié)合的蛋白樣品進(jìn)行染色分析。為了排除非特異性結(jié)合蛋白的干擾，我們設(shè)置了陰性對照組和小分子競爭性對照組。實(shí)驗結(jié)果表明，與溶劑對照組和競爭對照組相比，A304-B和A321-B處理組在分子量40～70kDa之間均可見三條差異條帶。
　　由于瓊脂糖珠

13、的孔徑較大，約45~165μm，容易吸附和潴留非特異性結(jié)合蛋白，導(dǎo)致背景較高，影響對結(jié)果的觀察；因此，本研究還選擇直徑僅2.8μm且顆粒均勻的磁珠為固相基質(zhì)進(jìn)行了Rasfonin結(jié)合蛋白的搜尋，在相似的分子量范圍內(nèi)也觀察到了五條差異條帶。
　　在經(jīng)典親和層析中，陰性對照組的作用并不明顯，可能與陰性對照物活性增強(qiáng)有關(guān)。為了彌補(bǔ)這一不足，同時也為了降低助溶有機(jī)試劑DMSO對體系的干擾，我們還采用改良方法系列親和層析進(jìn)行了Rasfoni

14、n結(jié)合蛋白的搜尋。實(shí)驗中將蛋白樣品連續(xù)與兩個固定有A304-B的層析柱反應(yīng)（依次編號A304-B-1和A304-B-2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，A304-B-1組與溶劑對照組和A304-B-2組相比，在35～70kDa分子量范圍內(nèi)出現(xiàn)了四條明顯的差異條帶。除35kDa的一組外，其余各組差異條帶的分子量范圍均與經(jīng)典親和層析法條帶位置相似。
　　2.2.親和層析法所得差異蛋白的質(zhì)譜鑒定與分析
　　綜合分析兩種親和層析法的實(shí)驗結(jié)果，我們選擇了

15、35～70kDa范圍內(nèi)分子量一致且有明顯差異的五組條帶（Rasfonin處理組的差異條帶與相應(yīng)位置處溶劑對照組的蛋白條帶為一組），采用納升液相電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜nanoLC進(jìn)行了檢測，并將蛋白的質(zhì)譜數(shù)據(jù)在NCBI-nr Green Plants數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行了Mascot檢索。檢索結(jié)果的匹配程度用得分值來體現(xiàn)，得分值越大匹配度越高，一般得分值高于200即表示檢索結(jié)果匹配良好，但當(dāng)?shù)梅种档陀?00時，若含有至少兩條較確定的特異性片段，也可認(rèn)為該

16、檢測結(jié)果可信。以此為依據(jù)，我們對檢測結(jié)果進(jìn)行了分析，排除了匹配度較低以及在溶劑對照組中也出現(xiàn)的蛋白，發(fā)現(xiàn)了30種差異蛋白（即Rasfonin處理組中包含但溶劑對照組中不包含的蛋白）。對這些差異蛋白與腫瘤的相關(guān)性進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)DX39A、RBBP7等10種蛋白與腫瘤或相關(guān)信號通路存在密切聯(lián)系，可作為Rasfonin結(jié)合蛋白深入研究的線索。
　　二、基于依賴于靶點(diǎn)穩(wěn)定性的藥物親和反應(yīng)（Drug Affinity Respons

17、ive Target Stability, DARTS）對抗腫瘤先導(dǎo)化合物Rasfonin結(jié)合蛋白的研究
　　1.DARTS的概念驗證
　　DARTS利用小分子配體能夠使結(jié)合蛋白構(gòu)象形態(tài)更穩(wěn)定這一特性，通過觀察經(jīng)小分子和蛋白酶處理后蛋白樣品中受到小分子保護(hù)的蛋白含量變化，找出小分子的結(jié)合蛋白。為了驗證DARTS原理的可行性，本研究參照文獻(xiàn)，選取經(jīng)DARTS驗證成功的雷帕霉素及其高親和力靶蛋白FKBP12進(jìn)行了實(shí)驗。SDS-P

18、AGE和Western Blotting檢測分析結(jié)果表明，在文獻(xiàn)所述條件下，與溶劑對照組相比，添加雷帕霉素的酶解組中FKBP12人源重組蛋白的水解程度明顯降低，條帶顯色增強(qiáng)，說明雷帕霉素確實(shí)能從一定程度上保護(hù)FKBP12免受蛋白酶水解。
　　2.DARTS實(shí)驗條件摸索
　　現(xiàn)已有多個研究小組應(yīng)用DARTS獲得了小分子化合物的靶標(biāo)或相關(guān)信息，但DARTS的具體實(shí)驗條件仍有待于進(jìn)一步探索和優(yōu)化。本研究對DARTS中不同蛋白酶酶解

19、能力、蛋白酶濃度和酶解時長等關(guān)鍵實(shí)驗條件進(jìn)行了初步摸索。
　　2.1.不同種類蛋白酶酶解能力的比較
　　我們根據(jù)文獻(xiàn)選擇了三種DARTS常用的廣譜蛋白酶（枯草桿菌蛋白酶、嗜熱菌蛋白酶、鏈霉蛋白酶），對其酶解能力進(jìn)行了比較。對工具細(xì)胞人源急性T淋巴細(xì)胞白血病細(xì)胞Jurkat非變性裂解提取的總蛋白室溫酶解15min，每種蛋白酶的濃度均由高到低設(shè)置（酶與蛋白質(zhì)量比）1:500、1:1000、1:2500、1:5000和1:1000

20、0五個梯度。結(jié)果表明，枯草桿菌蛋白酶作用劇烈，濃度1:500便幾乎將蛋白全部水解；嗜熱菌蛋白酶作用極弱，濃度1:500時僅可水解總蛋白的10％～20%；鏈霉蛋白酶作用相對柔和，在1:500～1:5000范圍內(nèi)約可水解總蛋白的30～60%。此結(jié)果與文獻(xiàn)報道一致，提示鏈霉蛋白酶1:500～1:5000的濃度范圍較適合DARTS。
　　2.2.不同濃度蛋白酶對DARTS結(jié)果的影響
　　結(jié)合上述實(shí)驗所得結(jié)果和文獻(xiàn)推薦條件，我們選擇作

21、用較溫和的鏈霉蛋白酶，以成功應(yīng)用DARTS找到新靶標(biāo)的α-酮戊二酸為研究對象進(jìn)行了總蛋白水平的實(shí)驗，考察在相同酶解溫度、相同酶解時長條件下，不同濃度鏈霉蛋白酶（1:500，1:1000，1:2500和1:5000）對DARTS結(jié)果的影響。結(jié)果表明，對于α-酮戊二酸，鏈霉蛋白酶濃度1:1000的條件下可觀察到的含量存在差異的蛋白條帶數(shù)目最多，差異條帶所在位置同原文獻(xiàn)結(jié)果基本一致；其它酶濃度條件下，由于酶解作用過弱或過強(qiáng)，差異條帶的呈現(xiàn)效果

22、均受到影響。結(jié)果提示，鏈霉蛋白酶濃度1:1000較適合DARTS中結(jié)合蛋白的顯現(xiàn)。
　　2.3.不同酶解時長對DARTS結(jié)果的影響
　　在獲得了α-酮戊二酸DARTS最佳酶濃度（鏈霉蛋白酶濃度1:1000）的基礎(chǔ)上，本研究考察了不同酶解時長（5、15、30min）對α-酮戊二酸DARTS結(jié)果的影響。結(jié)果表明，該酶濃度條件下，酶解5min明顯不足，并未觀察到差異條帶；酶解15min時，可觀察到的5個差異條帶，數(shù)目最多；酶解30

23、min時僅能觀察到一個不明顯的差異條帶。該結(jié)果提示，在鏈霉蛋白酶濃度為1:1000的條件下，酶解15min較適合DARTS結(jié)合蛋白的顯現(xiàn)。
　　2.4.DARTS優(yōu)化酶解條件的簡單驗證
　　為了驗證優(yōu)化所得酶解條件（鏈霉蛋白酶1:1000、酶解15min）的可行性，我們選取靶標(biāo)已知、但未用DARTS驗證過的小分子免疫抑制劑霉酚酸為研究對象，從人源重組蛋白和總蛋白兩個水平進(jìn)行了考察。
　　人源重組蛋白水平DARTS結(jié)果表

24、明，在鏈霉蛋白酶濃度1:1000、作用5min的條件下（由于人源重組蛋白純度較高，不存在無關(guān)蛋白的干擾，因此將酶解時間縮短至5min），與溶劑對照組相比，霉酚酸處理組的IMPDH1人源重組蛋白條帶被水解的程度減弱，顯色明顯增強(qiáng)，表明霉酚酸確實(shí)能保護(hù)其靶蛋白抵抗酶解。全蛋白水平DARTS結(jié)果表明，在鏈霉蛋白酶濃度1:1000、作用15min的條件下，可觀察到55～70kDa范圍內(nèi)有三條明顯的差異條帶。經(jīng)Western blotting檢測

25、，分子量55kDa處呈現(xiàn)含量變化的差異條帶中包含IMPDH1。
　　結(jié)果提示，前期實(shí)驗優(yōu)化所得酶解條件（鏈霉蛋白酶1:1000、酶解15min）可操作性較強(qiáng)，可作為Rasfonin的DARTS研究的起步條件。
　　3.基于DARTS對Rasfonin結(jié)合蛋白的搜尋
　　3.1.應(yīng)用DARTS對Rasfonin結(jié)合蛋白的搜尋
　　參考前期優(yōu)化的DARTS條件，我們采用鏈霉蛋白酶1:1000的酶濃度，酶解時長5～30

26、min，以工具細(xì)胞Jurkat總蛋白為蛋白原料，對Rasfonin進(jìn)行了DARTS總蛋白水平實(shí)驗。結(jié)果表明，與DMSO溶劑對照組相比，Rasfonin10和100μM處理組在酶解5min和15min時，能夠明顯觀察到在40～55kDa分子量范圍內(nèi)有兩組較為明顯的差異條帶。將細(xì)胞更換為K-ras基因突變的人源胰腺癌細(xì)胞Panc-1進(jìn)行實(shí)驗，得到了一致的結(jié)果。與親和層析實(shí)驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，差異條帶所出現(xiàn)的分子量范圍較一致，提示結(jié)合蛋白在40~

27、55 kDa范圍內(nèi)的可能性較大。
　　3.2.DARTS所得差異蛋白的質(zhì)譜鑒定與分析
　　運(yùn)用上述親和層析差異條帶的鑒定分析方法，我們對這兩組差異條帶進(jìn)行了質(zhì)譜鑒定和Mascot分析。通過初步篩選，排除了匹配度較低以及在溶劑對照組中也出現(xiàn)的蛋白，共獲得了12種可信的差異蛋白。通過進(jìn)一步文獻(xiàn)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)其中YBOX1、AMPL、XPO2（CSE1L）等11種蛋白有與腫瘤相關(guān)的研究，可作為Rasfonin結(jié)合蛋白深入研究的線索

28、。
　　對于親和層析和DARTS所獲得的共21種可能的結(jié)合蛋白，進(jìn)一步的親和力篩選和功能驗證工作仍在進(jìn)行中。
　　結(jié)論：
　　1.本課題建立了Rasfonin結(jié)合蛋白的研究技術(shù)平臺，包括傳統(tǒng)的親和層析法和靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)新技術(shù)DARTS兩個實(shí)驗體系，并對新技術(shù)DARTS的實(shí)驗條件進(jìn)行了優(yōu)化；
　　2.應(yīng)用親和層析法對Rasfonin進(jìn)行了結(jié)合蛋白的搜尋，共發(fā)現(xiàn)了30種差異蛋白，并通過對蛋白相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)其中有10種蛋

29、白與腫瘤或相關(guān)信號通路存在密切聯(lián)系，可作為Rasfonin結(jié)合蛋白深入研究的線索；
　　3.應(yīng)用DARTS對Rasfonin進(jìn)行了結(jié)合蛋白的搜尋，共發(fā)現(xiàn)了12種差異蛋白，并通過對蛋白相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)其中有11種蛋白與腫瘤或相關(guān)信號通路存在密切聯(lián)系，可作為Rasfonin結(jié)合蛋白深入研究的線索。
　　綜上所述，本課題首次應(yīng)用傳統(tǒng)的親和層析法和靶標(biāo)研究新技術(shù)DARTS對抗腫瘤先導(dǎo)化合物Rasfonin進(jìn)行了結(jié)合蛋白的搜尋，共獲