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天然产物也玩“变性”:从结构复杂性到活性多样性

天然产物是地球上最庞大的生物活性物质库,相比于人工合成的小分子而言,它们绝大多数都拥有多环、多手性中心的骨架,这些特殊的结构特征也赋予其独特的生理活性。随着对有机化学的深入理解,合成化学家已经能从类似的合成方法实现从一种到多种天然产物的构建,即复杂性到多样性(Complexity to Diversity, CtD)策略。而且,这种CtD策略的研究有助于药物的研发。


近日,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的Paul J. Hergenrother教授(点击查看介绍)课题组也将CtD应用于截短侧耳素(pleuromutilin)的多样性衍生,通过简短的合成步骤便实现了多种环系结构的构建,有些环结构在以往尚无报道。他们还在这些化合物中发现了一种铁死亡诱导剂(ferroptocide),可迅速高效地诱导肿瘤细胞的铁死亡。与常用于抗生素的截短侧耳素类化合物相比,这些新衍生物的生物活性明显转变,表现出强大的抗肿瘤活性。相关结果发表在Nature Chemistry 上。

图1. Hergenrother Lab。图片来源:UIUC


截短侧耳素是一种从真菌中发现的拥有5/6/8元三环体系和8个连续手性中心的二萜化合物,可通过抑制细菌50S核糖体发挥抗菌作用。常规多样性的衍生方法对其外围进行简单的修饰以拓展其抗菌谱,而Paul J. Hergenrother等人则对核心骨架进行修改,通过简洁的合成路线分别合成了十七个扩环、环断裂或稠环的衍生物P1-P17

图2. 通过CtD策略对截短侧耳素环进行修饰。图片来源:Nat. Chem.


研究人员利用基于肿瘤细胞的表型筛选试验发现苗头化合物P4具有最强的抗乳腺癌细胞系ES-2活性,半数抑制浓度IC50达到6.7 μM,且无溶血作用。他们又通过[4+2]环加成反应得到P18(即后文提到的铁死亡诱导剂),发现对ES-2细胞系的IC50降低到1.6 μM;进一步对R1和R2进行改造暂时未发现活性和选择性都优于P18的化合物(尽管P23活性提高但没有选择性)。另外,实验表明,P18对从病人肿瘤中新分离的15种肿瘤细胞的抑制活性也优于常规的化疗药物如顺铂、5-氟尿嘧啶、依托泊苷以及促凋亡药物PAC-1。有意思的是,将P18的N-N键换成C-C键后(P28-P30)活性都有降低。

图3. 铁死亡诱导剂的发现。图片来源:Nat. Chem.


研究人员通过多肿瘤细胞的抗增殖实验,发现合成的P18杀死肿瘤细胞如ES-2和Mia PaCa-2的速度明显比大多数凋亡诱导剂(如Raptinal)要快,这一现象暗示这个化合物可能并非通过促凋亡来诱导细胞死亡。随后,研究人员发现用该化合物处理后细胞中也没有观察到切断的PARP-1(与凋亡通路激活有关)。另外,通过染色发现细胞线粒体中活性氧物种(ROS)明显升高。这些数据说明P18可能通过作用于线粒体发挥抗肿瘤增殖作用。

图4. P18通过非凋亡通路诱导细胞死亡。图片来源:Nat. Chem.


那么具体的机制是什么呢?研究人员进行了三组实验:已知的铁死亡诱导剂RSL3组、P18组和铁离子鳌合剂DFO组。结果发现,P18组和RSL3组现象一致,而预先加入铁离子鳌合剂DFO组却未观察到相关现象。另外他们还发现,铁死亡诱导剂P18诱导细胞死亡的能力要比两种铁死亡诱导的工具化合物RSL3和Erastin强很多。

图5. P18通过铁死亡途径抑制肿瘤细胞增殖。图片来源:Nat. Chem.


在之前的构效关系研究中,研究人员就发现铁死亡诱导活性依赖于α-氯乙酯基团的存在,而药物化学家都知道这一结构很容易与靶点中半胱氨酸残基形成共价键。为了寻找靶点,研究人员进行了一系列实验,最终发现铁死亡诱导剂P18相关的靶点是硫氧还原蛋白(Thioredoxin,TNX)——细胞中抗氧化系统的关键蛋白之一。此外,研究人员发现在免疫完全的Balb/c小鼠上铁死亡诱导剂P18才能发挥肿瘤抑制作用,而在免疫功能严重缺失的SCID小鼠上却完全没有效果,表明P18具有免疫刺激功能,尤其T细胞和B细胞在铁死亡诱导剂P18发挥药效过程中也有不可忽视的作用。

图6. 作用靶点的发现。图片来源:Nat. Chem.


图7. 铁死亡诱导剂P18具有免疫调节功能。图片来源:Nat. Chem.


总结


Hergenrother教授课题组通过简单的反应操作对天然产物进行“二次开发”,从复杂性到多样性的转变,不仅仅体现结构的多样性,更重要的是实现了活性的多样性,由此将常用作抗生素的截短侧耳素类化合物转变为具有抗肿瘤作用的化合物。


笔者窃以为,合成化学家的最高境界是“以终为始”,即,不光要通过聪明才智简洁合成天然产物,还要充分挖掘和丰富其应用范围,探讨天然产物及其衍生物对于生命体的作用。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Diverse compounds from pleuromutilin lead to a thioredoxin inhibitor and inducer of ferroptosis

Nat. Chem., 2019, 11, 521–532, DOI: 10.1038/s41557-019-0261-6


导师介绍

Paul J. Hergenrother

https://www.x-mol.com/university/faculty/181


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