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最近,微管C-末端的靶向分子工作的论文被接收了。这是本实验室此方向第一篇正式发表的论文,特地在此分享一下。至于其价值,也别光听我自己的“标榜”。审稿人把它列为Very significant (top 10%)和significant(top 10-25%),说明对其价值的认可。
这项工作在七八年前开始考虑。那时我组在以微管为靶的药物分子(microtubule targeting agent, MTA)对抗肿瘤耐药(特别是b-III亚型微管蛋白高表达的耐药机制)做了一些工作,但无论是我们还是世界上其他实验室都没有很好地解决。此外,MTA的毒性问题也很头疼--基本上某个分子对微管作用强,细胞毒/抗癌作用就抢,但系统毒性也随之增高。
传统上MTA是细胞毒药物,但也是一类选择性较高的细胞毒药物(这里面的机制很复杂,包括紫杉烷类MTA在细胞内的富集。Weinburg的肿瘤生物学教材对此有所涉及)。不过本世纪初以来,肿瘤临床上靶向药物已形成对细胞毒药物全面替代的大趋势(除了部分瘤种或分型上化疗仍然重要),这也使得如我的MTA研究者考虑,究竟是放弃MTA拥抱五花八门的分子靶向药的研究,还是努力让MTA变成更有选择性/低毒性的药物?想达到这个目标该怎么做?
经过学习和思考,我对这个问题的答案是,找到调控MT功能更好(及更高选择性)的方式。根据我们的文献总结,已知有200余个结构类型的MTA。这些分子在微管蛋白内外的主体(tubulin body)上有多个结合位点(课题启动时有6个,目前已发现9个),都未能解决上述问题。因此我判断寻找与已有分子的结构有所变化的MTA可能不是出路,需要寻找新的对MT的调控方式。由于MT可以和数以百计的蛋白发生互作,显示其作为节点蛋白(hub protein)和多信号通路交汇点,因此针对蛋白互作(PPI),也就是通过调控MT与其中某个或某些微管相关蛋白(microtubule associated protein, MAP)的作用,有可能提高选择性。
对微管C-末端特别关注的理由有二:一是此区域涉及与大量MAP互作,不同的互作应该可以用不同的分子和不同的方式加以选择性调控,产生不同的生物学效应/表型;二是微管蛋白亚型(已知a-tubulin有9个亚型,b-tubulin有个亚型6个亚型)在此区域,而tubulin body上亚型的序列高度保守,也是我们难以通过对已有MTA的结构修饰,区分与b-I/II和b-III亚型作用的原因(已知的MTA结合位点都在蛋白的主体上,我们重点做的紫杉烷也不例外)。
虽然C-末端(C-terminal tail, CTT)看起来是个值得一试的新靶点,但它也有具挑战性的一面:CTT不具有稳定的三维结构,是所谓的内在无序蛋白区域(instrinsically disordered protein region, IDPR)。这个结构对MT作为hub protein以及与多个蛋白互作应当是非常关键的(这是基础生物化学的一个话题,这里先不展开)。由于其IDP性质,常见的通过互补的三维结构的药物设计策略,用小分子配体调控受体的功能难以实现,因此我决定尝试通过靶向受体的一级和二级结构,尝试调控其功能。毕竟三级(三维)结构也是由一、二级结构组成;通过对更简单结构元素的调控,即使不能完全达到调控三维结构的效用(受体的三维结构与生物学功能/表型相关),至少可以达到一部分。至于在此过程中尝试发现(与不同MAP互作的)MT CTT的不同三维结构,并对其加以调控,毫无疑问是一个更加令人期待的目标,但也必然会是更长久且更艰苦的旅程。
第一个接受任务的是一名直博生,做的是一级结构互补策略,也就是此文章中呈现的含有三联精氨酸(Arg或R)的大环结构。虽然结构看起来不复杂,但对我组来说是该生是第一个做肽化学的,还是有很多要学习和探索的内容。
此文包含三类分子,两类是大环,一类是直链:分别是最初设计的纯脂肪链连接的含RRR大环,以及作为其对照的直链前体物,最后还有(聚)乙二醇连接的含RRR大环,考察连接桥对活性的影响。结构如下:
对大环化合物类别的命名先后想了几种:比如cyclic pseudopeptide,或是macrocyclic peptoid。之所以考虑用伪肽、类肽,是因为环状分子的结构不是由纯粹的氨基酸构成。不过,考虑到环肽化合物中也可能掺入非天然氨基酸或者非肽键的片段,而类肽或伪肽一般是把羰基和N换位,或把肽键置换为其他键,而我们这里除了三个Arg组成的短肽,其他非肽部分与之相连也尽量用酰胺/肽键,所以把这类称作macrocyclic peptide或cyclic peptide应该也是可以的。最后,决定使用简单的cyclic peptide指代此类分子。
构效关系显示,环大小(连接桥长短不同)对分子水平的活性(微管聚合)的影响,是最大的环(n=12)作用最强。整体而言,分子的柔性和刚性须达到一定平衡对活性最有利。选择分子水平最强的化合物进行深入研究,表明其可以结合到CTT上,从而证实它通过结合CTT影响MT的功能。不过,在肿瘤细胞里它未显示类似MTA的抑制生长的作用,其原因可能是未能穿膜或作用较弱。在对鼠神经元的神经保护模型上,(聚)乙二醇类大环显示较好的作用。即便如此,化合物是否穿膜还有待将来细胞内结合的“一锤定音”。
虽然本文不是在高IF杂志上发表,但作为本组新课题的首篇文章,完成了概念验证,也在审稿中受到同行认可,值得推荐一下。感兴趣的可以去看已经在线的文章(Organic & Biomolecular Chemistry, 2022, DOI: 10.1039/D2OB01910H)。
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后记:
现在是移动互联网的短视频时代,博客的传播方式貌似有点过时。不过,对于有一定深度分享科研成果信息,应该还有一定价值。我自己就通过博客和推送,了解一些最新进展,感兴趣的话再去阅读原文。
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