高效诱导细胞凋亡的分子胶

生物体在生长发育过程中，存在着大量的受基因调控的程序性细胞死亡，如人体在胚胎发育过程中指间蹼的消失、蝌蚪尾巴的消失等。然而，肿瘤细胞却往往因为在死亡机制方面存在缺陷而导致增殖与凋亡的失衡。通过对细胞凋亡机制的研究，利用化学药物及基因调控诱导肿瘤细胞进入凋亡程序，是肿瘤治疗的有效手段。分子胶是一类直接作用在蛋白相互作用界面的链接小分子，可以通过诱导蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）获得或者增强蛋白的生理功能，或者通过调控PPI使其靶向蛋白通过蛋白降解途径被降解而丧失生理功能。

2019年，王晓东实验室发现高浓度的雌二醇（17-β-estradiol, E2）可以诱导线粒体凋亡通路发生，并通过高通量化合物筛选和CRISPR-Cas9全基因组筛选发现，PDE3A（phosphodiesterase 3A）和SLFN12 (Schlafen family member 12)是参与该凋亡通路的关键基因。当E2分子直接结合PDE3A后，会进而促进SLFN12与PDE3A复合体的形成，然后抑制SLFN12的降解。积累的SLFN12与核糖体结合，阻断了SRP（Signal Recognition Particle）与核糖体的结合，抑制蛋白翻译，导致细胞内的膜分泌蛋白无法在内质网上合成，包括抑制凋亡蛋白Bcl-1和Mcl-1的翻译，从而引起凋亡发生 ^[1]。2016年，Greulich和 Meyerson实验室也发现一类小分子化合物DNMDP 诱导的细胞死亡需要PDE3A和SLFN12的参与 ^[2]。随后，王晓东实验室的艾有为与齐湘兵和高栓虎团队合作发现生物碱小分子nauclefine ^[3] 以及俞强团队发现已知的PDE3的抑制剂anagrelide ^[4]同样都能激活PDE3A-SLFN12通路，介导细胞死亡。然而这些结构不同的化合物如何诱导SLFN12与PDE3A复合体的形成，以及以什么样的结合模式介导两个蛋白之间的相互作用并展现全新的生理功能是未知的科学问题。

近日，北京生命科学研究所的王晓东团队联合王宏伟团队、黄牛团队和齐湘兵团队在Nature Communications 杂志上发表了题为“Structure of PDE3A–SLFN12 Complex and Structure-based Design for A Potent Apoptosis Inducer of Tumor Cells”的研究性文章，并被Editor推荐为 Featured article。

王晓东团队的陈洁与合作者首先使用不同小分子化合物 (anagrelide, nauclefine, DNMDP) 处理HeLa细胞，并借助免疫共沉淀法，使用Flag和HA双标记的SLFN12纯化了SLFN12与内源性蛋白PDE3A相互作用的复合物。清华大学王宏伟团队的刘楠博士通过冷冻电镜解析了高分辨率的小分子-PDE3A-SLFN12复合物结构。结构显示 PDE3A 和 SLFN12 形成蝴蝶状异四聚体复合物。anagrelide、DNMDP 和 nauclefine分子的亲水侧与 PDE3A 的催化口袋结合，而其疏水部分延伸至 SLFN12并与之形成疏水相互作用。这些小分子像“分子胶水”一样将两种蛋白质“粘合”在一起（图1）。值得注意的是Greulich团队也于近期发表了其中一个分子DNMDP 与PDE3A和SLFN12复合物结构^[5]。

图1. 小分子-PDE3A-SLFN12复合物结构

这小分子中，anagrelide是治疗血小板增多症的一种上市药物，作者证实了anagrelide正是通过增强PDE3A-SLFN12的相互作用直接诱导了血小板生成的前体巨核细胞(MKs)的凋亡，从而减少MKs细胞产生的血小板数量，起到抗血栓的作用（图2）。

图2. anagrelide增强PDE3A-SLFN12相互作用导致巨核细胞(MKs)的凋亡

那么肿瘤细胞中是不是也存在这样的一个通路，是不是可以尝试通过激活该通路达到诱导肿瘤细胞死亡的目的？为此，根据小分子与PDE3A-SLFN12复合物结合的关键结构域，北京生命科学研究所黄牛团队以anagrelide为目标，利用计算机模拟出了增强与SLFN12结合的分子；齐湘兵团队基于计算结果和结合模式设计与合成了更“粘”的分子胶水。验证发现，anagrelide类似物A6诱导细胞发生凋亡的活性可以达到pM级别。同时从化合物结构与活性结果可以看出，疏水基团的选择性构建是增强分子胶水粘性的关键，其他亲水性基团如吡啶和苯甲酸等都会使分子胶水活性大大降低。

图3. anagrelide分子胶水活性优化

此外，在小鼠成瘤模型实验中，灌胃给药的A6也具有更强的抑制肿瘤生长的潜力（图2）。

图4. anagrelide类似物A6有效的促进抑制肿瘤生长

该工作揭示出：不同结构的化合物都能结合PDE3A是因为该蛋白的底物结合区域能够容纳结构不同的化学基团。而这些化合物激活还是抑制PDE3A-SLFN12细胞凋亡通路依赖于该分子是否具有能和SLFN12结合从而把PDE3A和SLFN12“粘”在一起的分子胶水的性质。基于复合物的结构来改造优化分子胶水这个性质，则创造出了更有效的细胞凋亡诱导分子，为开发新型肿瘤治疗药物，奠定了科学基础。

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Structure of PDE3A–SLFN12 complex and structure-based design for a potent apoptosis inducer of tumor cells

Jie Chen, Nan Liu, Yinpin Huang, Yuanxun Wang, Yuxing Sun, Qingcui Wu, Dianrong Li, Shuanhu Gao, Hong-Wei Wang, Niu Huang, Xiangbing Qi & Xiaodong Wang 

Nat. Commun., 2021, 12, 6204, DOI: 10.1038/s41467-021-26546-8

参考文献：

1. Li, D.; Chen, J.; Ai, Y.; Gu, X.; Li, L.; Che, D.; Jiang, Z.; Li, L.; Chen, S.; Huang, H.; Wang, J.; Cai, T.; Cao, Y.; Qi, X.; Wang, X., Estrogen-Related Hormones Induce Apoptosis by Stabilizing Schlafen-12 Protein Turnover. Mol Cell, 75, 1103-1116 e9 (2019).

2. de Waal, L.; Lewis, T. A.; Rees, M. G.; Tsherniak, A.; Wu, X.; Choi, P. S.; Gechijian, L.; Hartigan, C.; Faloon, P. W.; Hickey, M. J.; Tolliday, N.; Carr, S. A.; Clemons, P. A.; Munoz, B.; Wagner, B. K.; Shamji, A. F.; Koehler, A. N.; Schenone, M.; Burgin, A. B.; Schreiber, S. L.; Greulich, H.; Meyerson, M., Identification of cancer-cytotoxic modulators of PDE3A by predictive chemogenomics. Nat Chem Biol, 12, 102-8 (2016).

3. Ai, Y.; He, H.; Chen, P.; Yan, B.; Zhang, W.; Ding, Z.; Li, D.; Chen, J.; Ma, Y.; Cao, Y.; Zhu, J.; Li, J.; Ou, J.; Du, S.; Wang, X.; Ma, J.; Gao, S.; Qi, X., An alkaloid initiates phosphodiesterase 3A-schlafen 12 dependent apoptosis without affecting the phosphodiesterase activity. Nat Commun, 11, 3236 (2020).

4. An, R.; Liu, J.; He, J.; Wang, F.; Zhang, Q.; Yu, Q., PDE3A inhibitor anagrelide activates death signaling pathway genes and synergizes with cell death-inducing cytokines to selectively inhibit cancer cell growth. Am J Cancer Res, 9, 1905-1921 (2019).

5. Garvie, C. W., Wu, X., Papanastasiou, M., Lee S., Fuller J.,  Schnitzler, G. R., Horner, S. W., Baker, A., Zhang, T., Mullahoo, J. P., Westlake, L., Hoyt, S. H., Toetzl, M., Ranaghan, M.J., de Waal, L., McGaunn, J., Kaplan, B., Piccioni, F., Yang, X., Lange, M., Tersteegen, A., Raymond, D.,  Lewis, T. A., Carr, S. A., Cherniack, A. D.,  Lemke, C. T., Meyerson, M., &  Greulich, H., Nature Communications, 12, 4375 (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24495-w.

王晓东博士团队介绍：

http://www.nibs.ac.cn/yjsjyimgshow.php?cid=5&sid=6&id=779 

https://www.x-mol.com/university/faculty/60511 

http://cryoem.life.tsinghua.edu.cn/ 

黄牛博士介绍：

http://www.nibs.ac.cn/yjsjyimgshow.php?cid=5&sid=6&id=770 

https://www.x-mol.com/groups/huangniu 

齐湘兵博士团队介绍：

http://qigroup.nibs.ac.cn/ 

https://www.x-mol.com/groups/qixiangbing