鸟氨酸脱羧酶ODC二聚体稳定性抑制剂的发现与功能研究

Polyamines are a kind of organic small molecules important to many normal cellular functions. In human cells, ornithine decarboxylase (ODC) is the rate-limiting enzyme of the polyamine biosynthetic pathway. Studies have shown that the upregulation of ODC enzymatic activity and polyamines’ concentrations in human cells are positively correlated with the origination and development of many kinds of tumors. Therefore, ODC is likely an oncogenetic enzyme. In the past years, ODC inhibitors have been proved to be able to decrease the concentrations of polyamines in cells, and inhibit the growth of cancer cells. However, ODC inhibitors showed little or no efficacy in vivo, due to the increased uptake of exogenous polyamines by cancer cells, which is induced by the compensatory feedback mechanism of the polyamine regulation system. After thoroughly analyzing the research progress in this field, stimulated by the strategies of designing protein-protein interaction inhibitors, and from the viewpoint of systems biology, we are presenting a new scientific hypothesis in this research project: an ODC homodimer stabilizer might be able to inhibit the enzymatic activity of ODC, and at the same time, inhibit the compensatory feedback pathway of the polyamine regulation network. In our preliminary study, by combining a series of research tools, we validated the rationale of this hypothesis and discovered small molecules that can stabilize ODC homodimer and inhibit ODC enzymatic activity. Therefore, in this project, based on our preliminary study, we will do more work to screen and optimize ODC-dimer-stabilizing inhibitors, and study the molecular and cellular mechanism of this kind of ODC inhibitors. We hope the work in this project could validate our scientific hypothesis, and then provide a new research strategy and new research tools to the research field of polyamines.

多胺是一类具有重要生物学功能的小分子，鸟氨酸脱羧酶（ODC）是多胺合成代谢途径的限速酶。细胞中ODC活性及多胺浓度的上调与多种肿瘤发生发展高度正相关，因此ODC被认为是一个致癌蛋白酶。ODC抑制剂能够降低细胞内多胺水平，抑制肿瘤生长，但是细胞会通过反馈补偿途径，增加对胞外多胺的摄取，使ODC抑制剂在活体中疗效减弱。通过分析该领域的研究进展，结合蛋白质功能抑制剂的研究策略，本项目从蛋白相互作用与信号网络调控的角度，提出一个新的科学假设：利用小分子稳定ODC同源二聚体，达到同时抑制ODC酶活和抑制细胞外源多胺摄取能力的双重目的。前期研究中，我们综合利用多种研究手段检验了该假设的可行性，并筛选到能够稳定ODC同源二聚体和抑制ODC活性的小分子。本项目将在前期研究基础上，开展更广泛和更深入的研究，进行ODC二聚体稳定性抑制剂的大量筛选及功能和机理研究，以期为该领域的研究提供新的研究策略和工具。

鸟氨酸脱羧酶（ODC）是多胺合成代谢途径的限速酶，ODC活性及多胺浓度的上调与多种肿瘤发生发展高度正相关。在本项目中，我们致力于发现具有抑制ODC活性且同时能够稳定ODC同源二聚体和抑制ODC-OAZ1相互作用的多功能小分子抑制剂。为此，我们通过蛋白质结构分析，建立了一套该类多功能小分子抑制剂的计算机辅助筛选方法。利用该方法，我们筛选出了42个候选化合物进行实验验证。利用基于光吸收的ODC酶活检测方法、基于FRET系统的ODC-OAZ1相互作用检测方法、基于分析型凝胶柱的ODC二聚体检测方法等，我们获得了3个有效的新型ODC多功能抑制剂。针对其中一个抑制剂（命名为ODC-MPI-1），我们进一步利用TSA、HPLC、MST等方法验证了其对ODC的抑制能力，利用MTT、xCELLigence、HPLC、MANT-spermidine等方法验证了其对A549细胞的增殖抑制能力、对细胞多胺合成的抑制作用、以及对外源多胺摄取能力的影响，最后还分析了ODC-MPI-1在人和鼠微粒体中的稳定性、在人和鼠血清中的稳定性、与人和鼠血清蛋白的结合能力、对心肌细胞膜电位的影响、以及对裸鼠肿瘤的抑制能力。本项目的研究成果证明了筛选和设计ODC二聚体稳定性抑制剂的可行性，为设计新型ODC抑制剂提供了新思路，并为类似蛋白体系的抑制剂设计提供了新的方法。