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中南大学研究团队发现天然产物多杀菌素A及衍生物为ASS1激活剂和肿瘤抑制剂
2021-04-19 13:51:00
中南大学
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  4月16日,Nature Communications杂志在线以Original Article发表了中南大学生命科学学院罗志勇教授和中南大学湘雅药学院刘苏友副教授研究团队原创抗肿瘤新药发现成果——“Naturally-occurring spinosyn A and its derivatives function as argininosuccinate synthase activator and tumor inhibitor”。该研究成果历经七年,首次发现多杀菌素A(spinosyn A, SPA)及其衍生物LM-2I靶向激活肿瘤低表达抑癌蛋白ASS1活性,降低天冬氨酸,抑制嘧啶从头合成,进而抑制肿瘤的增殖。

  当前全球抗癌药物研发的主要策略是基于促癌蛋白的抑制剂设计与发现,而对抗肿瘤生长的抑癌蛋白激活剂的发现少有报道。因此寻找和发现通过增强抑癌蛋白功能的激活剂是临床抗肿瘤新药发现的新策略与重大需求,也是当前研究的难点。

  精氨酸代琥珀酸合成酶(argininosuccinate synthase 1,ASS1)为尿素循环中精氨酸合成的限速酶。新近研究表明,ASS1在多数肿瘤中表达降低,表现为肿瘤抑制因子。ASS1低表达引起抑癌功能降低,与乳腺癌、黑色素瘤、肝细胞癌、前列腺癌等大多数肿瘤的发生及预后不良相关。迄今为止,尚无通过增强ASS1的抑癌功能有效发挥抗肿瘤作用的报道。

  LM-2I作为抑癌蛋白ASS1激活剂和肿瘤抑制剂,具有活性高、水溶性好且对哺乳动物毒性低等优点,体内、外抑瘤实验均显示其优良的抗肿瘤活性及安全性,系新结构、新靶点及新机制的原创抗肿瘤新药发现。该研究为ASS1低表达的肿瘤特别是缺乏治疗靶点的三阴性乳腺癌提供了新的候选药物和新的治疗策略。该成果已申请国家发明专利(CN111632061A)及国际发明专利(PCT/CN2021/073695)。

图1. SPA和LM-2I靶向激活ASS1发挥抗肿瘤机制图

  多杀菌素是土壤刺糖多孢菌(Saccharopolyspora spinosa)经过有氧发酵所产生的胞内次级代谢产物,属于大环内酯类抗生素,其主要活性成分为SPA和SPD,哺乳动物的急、慢性毒性实验表明,多杀菌素对哺乳动物的毒性低,且无致癌、致畸、致突变性或神经毒性。该研究发现,SPA体内、外能够显著抑制乳腺癌细胞的生长,特别是恶性程度高、难治性的三阴性乳腺癌。

  研究团队以SPA为先导化合物合成了一系列衍生物,筛选发现了水溶性好、活性更高的新衍生物LM-2I。以此为基础,合成了SPA的生物素探针,应用pull-down、LC-MS/MS和蛋白质定点突变等技术,发现并鉴定了SPA及LM-2I直接靶向结合ASS1酶蛋白。其中,SPA和LM-2I中的C13-C14双键和ASS1中的Cys97位点通过迈克尔加成反应共价结合;通过ASS1基因敲低和过表达、裸鼠成瘤实验并结合肿瘤临床样本分析发现:ASS1是乳腺癌的肿瘤抑制因子,其低表达与预后差直接相关;ASS1酶促反应活性、ASS1基因敲除和LC-MS/MS的嘧啶核苷酸类代谢物检测实验发现,SPA和LM-2I可显著提高乳腺癌细胞中ASS1的酶活性,特别对于ASS1低表达的肿瘤如三阴性乳腺癌具有更强的抑瘤活性,主要通过抑制嘧啶合成,进而抑制了肿瘤细胞的增殖。

图2. SPA及LM-2I的分子结构和抗肿瘤效果评价

图3. SPA及LM-2I作用靶点ASS1发现


图4. SPA及LM-2I激活ASS1抑制嘧啶的从头合成

  中南大学罗志勇教授和刘苏友副教授为该论文共同通讯作者,中南大学生命科学学院生物化学与分子生物学专业博士生邹自征和胡息源为本文共同第一作者。上海交通大学医学院夏立副教授及中国科学院昆明动物所陈策实教授参与该研究。

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