鬼臼类化合物损伤微管蛋白结构诱导肿瘤细胞凋亡过程的信号转导机制

As an important class of specific anticancer drugs, tubulin inhibitors could induce tumor cell apoptosis by damaging tubulin structure. However, its mechanism is still unknown. Our group synthesized a series of the sulfur-substituted podophyllum compounds, which more seriously inhibited the microtubule assembly in the human lung carcinoma A549 cells compared with colchicines. Not only the G2/M phase arrest ratio but also the apoptosis ratio of the sulfur-substituted podophyllum compound was higher than that of colchicines. By taking the sulfur-substituted podophyllum compound as typical tubulin inhibitor, the project is to study the signal transduction mechanism of podophyllum compounds inducing tumor cell apoptosis by damaging tubulin structure. Firstly, the process of podophyllum compounds damaging the structure of tubulin and its injury on the microtubule assembly will be studied to clarity which signals transduction pathways will be mediated by microtubule assembly disorder. Secondly, the expression of apoptosis signaling protein will be analyzed to confirm the apoptosis pathway. Thirdly, the above relationship between the signal transduction pathways and the apoptosis pathways will be studied to elucidate the signal transduction mechanism of podophyllum compounds inducing tumor cell apoptosis by damaging tubulin structure. This work will provid a theory fundamental for the antitumor mechanism of the tubulin inhibitors.

微管蛋白抑制剂通过引起微管正常组装紊乱诱导肿瘤细胞凋亡发挥抗肿瘤活性，然而微管蛋白结构损伤诱导肿瘤细胞凋亡过程的信号转导机制尚不明晰。前期，课题组以微管蛋白为靶标合成了一系列硫取代鬼臼类化合物，其作用于人肺癌A549细胞后，与公认的微管蛋白抑制剂秋水仙碱相比，引起胞内微管收缩更为明显，对细胞周期G2/M期阻滞率和诱导凋亡率均显著高于秋水仙碱。本项目拟以上述硫取代鬼臼类化合物作为微管蛋白抑制剂的典型代表，探索鬼臼类化合物损伤微管蛋白结构诱导肿瘤细胞凋亡过程的信号转导机制。首先，研究鬼臼类化合物损伤微管蛋白结构引起微管组装紊乱过程，解析微管组装紊乱所激发的信号通路；然后，检测细胞凋亡途径中标志性凋亡蛋白，确定细胞凋亡途径；最后，研究上述信号通路与细胞凋亡途径的内在联系，从而阐明鬼臼类化合物损伤微管蛋白结构诱导肿瘤细胞凋亡过程的信号转导机制，预期将为微管蛋白抑制剂抗肿瘤分子机制研究提供理论支撑。

本项目以硫取代鬼臼类化合物作为微管蛋白抑制剂的典型代表，探索鬼臼类化合物损伤微管蛋白结构诱导肿瘤细胞凋亡过程的信号转导机制。解析了分辨率达2.2 Å的微管蛋白-1S复合物的晶体结构，1S能够引起微管蛋白结构中的β微管蛋白上的环T7发生向外翻转，α微管蛋白上的环T5发生偏移，其中β微管蛋白上的环T7可以通过翻进和翻出参与抑制微管蛋白异源二聚体转变为直立状的可逆过程，α微管蛋白上的环T5可以通过改变其构象参与微管蛋白异源二聚体在微管解聚-聚合过程中结构的改变，从而阐明了1S靶向微管蛋白抑制微管聚合的机制机理。碳-硫键取代的S系列化合物对其作用靶点微管的促解聚能力远优于碳-氮键取代的N系列化合物，能引起细胞内游离微管蛋白含量增加，与线粒体外膜上的电压依赖阴离子通道VDAC蛋白结合使线粒体在24小时发生显著去极化，线粒体膜电位缺失，通透性增强。同时，S系列化合物在6小时引起细胞内第二信使环磷酸腺苷cAMP直接效应子cAMP依赖蛋白激酶A(PKA)的活化。活化的PKA对HeLa细胞进行了第一轮信号调控：一方面通过磷酸化VDAC蛋白促进了其与游离微管蛋白的结合、线粒体的去极化；另一方面激活了丝裂原活化蛋白激酶MAPK级联反应中的JNK促凋亡通路。磷酸化的JNK通过引起大量ROS水平升高，进一步对线粒体产生损伤，膜电位进一步缺失。线粒体内大量ROS释放到细胞质中，进行细胞的第二轮信号调控，使MAPK级联反应中ERK生长通路被抑制，同时激活p38 MAPK介导的凋亡通路，最终导致肿瘤细胞发生凋亡。综上所述，本项目阐明了鬼臼类化合物损伤微管蛋白结构诱导肿瘤细胞凋亡过程的信号转导机制，将为微管蛋白抑制剂抗肿瘤分子机制研究提供理论支撑。.在ACS Chemical Biology、European Journal of Medicinal Chemistry等学术期刊上发表SCI论文14篇；授权美国专利2项；培养研究生7名。应邀在The 4th MT workshop on Chemistry and Biology of Microtubules and Microtubule-interacting Agents国际学术会议上做邀请报告。