《自然化学生物学》刊登上海交大白血病研究成果

近日，国际化学生物学领域权威刊物——自然（Nature）杂志子刊《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology) 以“Adenanthin targets peroxiredoxin I and II to induce differentiation of leukemic cells”为题，在线发表了依托我校建设的上海高校化学生物学E-研究院的研究论文。在该论文中，研究人员在发现从腺花香茶菜中提取的腺花素（Adenanthin）能够诱导白血病细胞分化的基础上，成功地捕获了它在细胞内的靶蛋白——过氧化还原酶（peroxiredoxin） I/II，并依此阐释了白血病细胞分化的新机理。


据该论文通讯作者陈国强教授介绍，透过细胞膜的小分子化合物能快速与靶标蛋白结合，从而抑制或加强靶标蛋白调控生物途径或网络的能力，影响整个生物体的基因表现型。因此，靶标特异性的小分子化合物已经成为研究基因功能和复杂生物途径和过程的有效工具。基于这些认识，一门依赖多学科交叉，尤其是化学与生物组学相融合和交叉的新型学科-化学生物学(chemical biology)应用而生，并成为推动生命科学发展的关键研究领域之一。其主要目的在于为基因组中的每一个生物大分子(主要是蛋白质)寻找一类特异性结合小分子化合物，再用这些化合物为探针研究基因组的功能以及发现新的药物作用靶标、途径和网络。2009年，上海市教育委员会批准以上海交通大学医学院细胞分化与凋亡教育部重点实验室为主要基地，依托上海市和全国高校和研究院所部分从事化学生物学研究的骨干力量，成立“上海高校化学生物学E-研究院”，试图利用我国丰富的天然产物资源，开展基于重要细胞生命活动的化学生物学研究，并为交叉学科人才培养和学科建设作出重要贡献。


在上海高校化学生物学E-研究院首席研究员陈国强教授的精心指导和有力推动下，来自基础医学院和上海健康科学研究所的博士研究生刘传绪和阴倩倩等，以白血病细胞为体外模型，对中国科学院昆明植物研究所孙汉董教授课题组提供的500多个天然的对映贝壳杉烷类小分子化合物进行筛选，从中发现自腺花香茶菜（Rabdosia adenantha）中提取的腺花素能够诱导白血病细胞发生形态和功能学上的分化。这种分化诱导效应不仅发生在对维甲酸（ATRA）敏感的白血病细胞，同时也在对ATRA耐药的白血病细胞呈现明显效果。进一步地，他们利用转基因小鼠产生的对ATRA敏感和耐药的两种白血病小鼠开展体内研究，发现腺花素都能够有效诱导这些小鼠的体内白血病细胞发生分化，并显著延长小鼠的生存时间。


在取得这些重要发现的基础上，E-化学生物学研究院成员、上海交通大学药学院周虎臣研究员课题组对腺花素进行分子改造，并在明确其活性基团后，合成生物素标记的腺花素分子。随后，研究者在蛋白质组学和生物信息学技术平台的支持下，以生物素标记的腺花素为“诱饵”，利用蛋白质组学和生物信息学技术，在白血病细胞中“垂钓”腺花素可能结合的蛋白质，结果发现腺花素能够与过氧化还原酶Prx I和 Prx II共价结合。


Prx家族成员属于一类具有过氧化氢酶活性的抗氧化酶。人体Prx至少存在6个成员，分别称为Prx I-VI。Prxs成员存在一个保守的半胱氨酸残基（cysteine，Cys)。该残基属于被过氧化物氧化的位点。因此，被称作为过氧化半胱氨酸（peroxidatic Cys，CP)。当CP的巯基（Cys-SH）被氧化物氧化为Cys-SOH时, 后者与另一个半胱氨酸残基（称为resolving Cys，CR)形成二硫键，进而发挥清除过氧化物的作用。根据Prx家族成员的半胱氨酸残基的结构特点，目前将他们分为2-Cys（包括Prx I-IV), 非典型2-Cys (Prx V)和1-Cys Prx (Prx VI)等亚类。越来越多的研究显示，这些Prx成员的表达水平与许多人体重要疾病如肿瘤、心血管病、糖尿病和神经退行性疾病等密切相关。相应地，Prx，尤其是2-Cys Prx蛋白作为治疗相关疾病的药物靶标的意义日益明确。他们进一步的研究显示，腺花素并不结合Prx IV、V和VI蛋白。同时，它与Prx III呈现低亲和力结合，但由于后者属于线粒体蛋白，而腺花素并不出现在该细胞器。因此，他们重点探讨腺花素结合Prx I和Prx II的潜在意义。非常有趣的是，使用siRNA抑制Prx I或Prx II的表达可以直接诱导白血病细胞分化。随后的蛋白质谱分析和位点突变研究显示，腺花素特异地共价结合Prx I和Prx II的CR位点。相应地，腺花素也明显抑制Prx II，尤其是Prx I的酶活性，增加细胞内过氧化氢（H2O2）水平。在H2O2清除剂N-乙酰-l-半胱氨酸 （N-acetyl-l-cysteine，NAC)存在下，腺花素的分化诱导效应几乎被完全抑制，提示H2O2在adenanthin诱导分化中的作用。越来越多的证据显示， H2O2作为第二信使，广泛参与细胞信号通路的调控，参与多种细胞生命活动。他们的进一步研究显示，增加的H2O2活化胞外信号调节蛋白激酶（extracellular signal-regulated protein kinases, ERK1/2)，进而上调造血细胞分化相关的转录因子C/EBP 的表达水平，诱导细胞分化。


该项研究也得到国家自然科学基金委员会的重大研究计划《基于化学小分子探针的信号转导过程研究》、国家科技部重大科学计划和上海市科学技术委员会等的资助。