天然小分子化合物腺花素抑制过氧化物氧还酶的结构生物学机制研究

Emerging data have implicated the potential of peroxiredoxins (Prxs), a family of peroxidases that reduce peroxides, as therapeutic targets for many diseases such as cancers, cardiovascular dysfunction, diabetes mellitus and neurodegeneration. Our recent study has discovered that adenanthin, a diterpenoid isolated from the leaves of Rabdosia adenantha, can specifically bind to the conserved resolving cysteines of Prx 1/2 and inhibits their peroxidase activity, thus result elevated levels of H2O2 and CCAAT/enhancer binding protein beta (C/EBPβ) in cell, which ultimately induces differentiation of acute promyelocytic leukemia (APL) cells in an all-trans retinoid acid (ATRA)-independent manner. Our proposed research project will focus on the molecular mechanism of how adenanthin specifically binds and inhibits Prx 1/2 activity and how we can modify adenanthin to increase its specificity and efficacy of towards Prx1/2. These studies will also shed lights on the development of new chemical compounds targeting Prxs for the treatment of various diseases.

急性早幼粒细胞白血病（APL）是急性粒细胞白血病(AML)中恶性程度最高的特殊亚型。虽然全反式维甲酸（ATRA）联合蒽环类药物的治疗方案可以使90％左右的初治APL病人获得完全缓解，但仍有10％～15％的复发率,且复发后没有好的治疗方法。我们实验室最近的研究成果发现一种天然小分子化合物腺花素（Adenanthin），可以通过特异性修饰过氧化物氧还酶（Peroxiredoxins,Prxs）1和2上保守的半胱氨酸，抑制它们的过氧化物氧还酶活性，从而上调H2O2和C/EBP，最终诱导APL细胞分化，因此它有可能成为治疗耐ATRA早幼粒白血病的一种新型的药物。本研究项目将通过生物化学和结构生物学的手段，研究腺花素和Prxs特异性地相互作用的结构机制，揭示它是如何先结合于Prxs分子表面然后共价修饰其特异的半胱氨酸，同时，尝试改造Adenanthin并设计新型Prxs的小分子抑制剂。

很多重要研究表明过氧化物氧还酶 Prxs 家族可以作为众多疾病的药物 靶点如肿瘤、心血管机能障碍、神经退行性病变等。虽然 Prxs 的催化机制大致相似，但它们在体内的功能有很大的不同，所以针对不同亚类的特异 性抑制剂的研发非常重要。我们研究组发现的 Adenanthin 是第一个报导的 Prx1/2特异性抑制剂。本研究计划是在这一研究基础上的深入和继续，着重以结构生物学和生物化学的手段, 解析Prx1/2和 Adenanthin复合物结构，研 究Prxs和 Adenanthin反应的动力学，阐述 Adenanthin作为 Prx1/2特异性抑制剂的机制。.我们发现Adenanthin可以显著改变PRX1和2在溶液中的状态，特异性的修饰导致PRX2从天然的10聚体变成了二聚体。我们制备并获得了Prx 1-Adenanthin复合物以及PRX2-Adenanthin复合物的晶体结构。 我们发现在最终的复合物中，Adenanthin的确以共价键的形式修饰保守的Cys173，但该分子本身和Prx1蛋白并没有显著的其他相互作用。由此推测，共价键形成后Adenanthin会从原来的结合位点上解离。所以根据解析的晶体结构，我们模拟Aenanthin和Prx1相互作用的位点， 通过定点突变的方法确定在Prxs上和Adenanthin相互作用的氨基酸，并通过我们建立的荧光滴定检测手段，分别测定了Prx1/2突变体和还原的Adenanthin的亲和力，结果表明F50, L147和V51对Adenanthin结合PRX1的亲和力影响较大，说明它们直接参与了与Adenanthin的结合。这些研究探明了Adenanthin和PRX1/2相互结合的独特作用模式：Adenanthin先结合在PRX分子表面的一个口袋，然后173位的半胱氨酸进攻Adenanthin的活泼双键，形成共价键，这会导致蛋白构象变化，比如PRX2由十聚体变 为二聚体。同时由于Adenanthin在PRX的分子表面的口袋结合力较弱，会从该口袋解离开来。这表明Adenanthin以一种极其独特的动态方式多步骤地抑制PRX1的二硫键的交换。这项研究为靶向 Prx1/2治疗的药物设计和优化打下坚实的基础。且我们主办一次国际回忆，培养了两名博士生，发表4篇相关SCI论文，主要的研究工作正在投稿中。