斯坦福大學(xué)發(fā)現(xiàn)為癌細(xì)胞提供燃料的靶向酶

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2022-07-08 09:55:00【大中小】

摘要：斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)研究人員發(fā)明了一種分子IGUANA，可以阻斷ALDH1B1酶，這種酶被認(rèn)為是導(dǎo)致結(jié)腸癌復(fù)發(fā)或化療耐藥的重要因素。

IGUANA能夠抑制ALDH1B1酶，眾所周知，這種酶在結(jié)腸癌和胰腺癌患者中過度活躍。

斯坦福醫(yī)學(xué)研究人員創(chuàng)造的分子揭示了被認(rèn)為與結(jié)腸癌復(fù)發(fā)和化療耐藥性有關(guān)的細(xì)胞的秘密。它們也可能成為新的靶向抗癌藥物的跳板。

據(jù)《Nature Chemical Biology》7月4日?qǐng)?bào)道，這些分子精確地針對(duì)一種被稱為ALDH1B1的酶，這種酶在結(jié)腸癌和胰腺癌患者中過度活躍。先前在小鼠中的研究已經(jīng)證明ALDH1B1通過特異性作用于癌癥干細(xì)胞在胰腺腫瘤發(fā)展中發(fā)揮作用。針對(duì)癌癥干細(xì)胞的治療可能對(duì)預(yù)防癌癥復(fù)發(fā)和化療耐藥尤其關(guān)鍵。

圖1 《Nature Chemical Biology》研究結(jié)果

化學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和化學(xué)教授、資深作者James Chen博士說，關(guān)于癌癥干細(xì)胞的普遍共識(shí)是，這些生長(zhǎng)緩慢的細(xì)胞可以產(chǎn)生腫瘤中所有其他類型的細(xì)胞。

“當(dāng)腫瘤對(duì)以分裂最快的細(xì)胞為目標(biāo)的化療產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)，緩慢分裂的莖狀細(xì)胞群可以持續(xù)存在，這是腫瘤復(fù)發(fā)和化療耐藥性的基礎(chǔ)，”Chen教授說。

他說，如果ALDH1B1是癌癥干細(xì)胞存活所必需的，那么一種破壞其功能的藥物可能是一種有效的治療方法。這種藥物的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其精準(zhǔn)性:雖然化療可以殺死任何快速分裂的細(xì)胞，包括健康細(xì)胞，但針對(duì)ALDH1B1等特定蛋白質(zhì)的靶向治療可以集中攻擊癌細(xì)胞。但為了達(dá)到這個(gè)目的，科學(xué)家必須首先更好地了解ALDH1B1在癌癥中的作用。

“沒有人真正了解為什么ALDH1B1會(huì)促進(jìn)結(jié)腸和胰腺腫瘤的生長(zhǎng)，”Chen說。

一組新的分子

現(xiàn)在，隨著Chen和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的分子，ALDH1B1在癌癥中扮演的角色的謎團(tuán)得以解開。到目前為止，還沒有已知的分子專門針對(duì)ALDH1B1——一個(gè)19種酶家族的成員，稱為醛脫氫酶，或ALDHs。在健康的細(xì)胞中，ALDH酶幫助清除積聚在細(xì)胞內(nèi)的醛類毒素。

一些ALDHs家族成員已知在癌細(xì)胞中過度生產(chǎn)，而且每個(gè)家庭成員似乎都有自己的癌癥龕位，例如，一個(gè)ALDH家族成員與卵巢癌有關(guān)，另一個(gè)與結(jié)腸癌有關(guān)。但ALDH酶在癌細(xì)胞中作用的細(xì)節(jié)尚不清楚。

“研究這種酶很困難，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)非常相似，其中許多具有相似的生化功能，”Chen團(tuán)隊(duì)的博士后Zhiping Feng說，他指的是ALDH酶家族。Feng, Chen和同事們開發(fā)的新分子是第一個(gè)靶向ALDH1B1而不影響其他ALDH家族成員的分子。

如果不是偶然的發(fā)現(xiàn)，這一生化上的突破可能被錯(cuò)過。最初，Chen的團(tuán)隊(duì)在尋找一種分子，這種分子可以阻斷另一種促進(jìn)癌癥生長(zhǎng)的途徑。在測(cè)試了30多萬(wàn)種合成化合物后，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們找到了一個(gè)很好的候選化合物來實(shí)現(xiàn)最初的目標(biāo)。出乎意料的是，他們發(fā)現(xiàn)他們的候選分子與與癌癥無關(guān)的ALDH家族成員相互作用?？紤]到ALDH家族在結(jié)構(gòu)和生化上的相似性，研究小組想知道候選分子和其他類似的分子是否可以阻止與癌癥有關(guān)的其他ALDH酶的活性。

“讓我們驚訝和滿意的是，我們的一種分子優(yōu)先靶向ALDH1B1，”Chen說。盡管ALDH1B1與該團(tuán)隊(duì)最初研究的途徑無關(guān)，但他們繼續(xù)研究這種酶以及阻礙其功能的分子。

接下來，研究小組試圖優(yōu)化這些分子，提高它們抑制ALDH1B1功能的能力，同時(shí)減少細(xì)胞中的副作用。Feng說:“我們花了近兩年的時(shí)間才完成最終的建筑。我們測(cè)試了很多不同的化合物，有些根本不起作用。”

該團(tuán)隊(duì)解決了ALDH1B1的第一個(gè)X射線晶體結(jié)構(gòu)，這使他們能夠檢查候選分子和酶之間的原子級(jí)相互作用。然后，他們利用這些發(fā)現(xiàn)來指導(dǎo)分子的化學(xué)修飾，最終測(cè)試了100多個(gè)不同版本的分子阻斷ALDH1B1活性的能力。在這些研究過程中，研究小組還必須改變候選分子的分子骨架。原始分子的主干在線粒體中引起毒性副作用，而線粒體正是ALDH1B1發(fā)揮作用的細(xì)胞位置。研究人員發(fā)現(xiàn)，一種形狀相似的替代結(jié)構(gòu)避免了這種毒性。研究小組根據(jù)這些來之不易的候選分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和對(duì)ALDH1B1的精確攻擊，將其命名為:乙醛脫氫酶的異形選擇性胍基拮抗劑(IGUANAs)。

ALDH1B1和癌癥

為了了解結(jié)腸癌干細(xì)胞是否需要ALDH1B1才能存活，研究小組在基于細(xì)胞的測(cè)試中使用了IGUANAs。一項(xiàng)測(cè)試表明，IGUANAs停止了實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)的結(jié)腸癌細(xì)胞中ALDH1B1的活性。在另一項(xiàng)測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)研究了ALDH1B1在干細(xì)胞樣結(jié)腸癌細(xì)胞中的功能。

圖2 ALDH1B1在干細(xì)胞樣結(jié)腸癌細(xì)胞中的功能

在這項(xiàng)測(cè)試中，結(jié)腸癌細(xì)胞分別生長(zhǎng)在傳統(tǒng)的單層和被稱為球狀體的三維球體中，這種球體需要類干細(xì)胞細(xì)胞才能存活。當(dāng)添加IGUANAs阻止ALDH1B1活性時(shí)，富含干細(xì)胞的球形培養(yǎng)細(xì)胞死亡，而單層細(xì)胞培養(yǎng)基本不受影響。

“這證實(shí)了[ALDH1B1]參與干細(xì)胞的懷疑，”Feng說，“并表明ALDH1B1對(duì)支持癌癥干細(xì)胞的生存或維持是重要的。”

最后，為了探索ALDH1B1是如何促進(jìn)結(jié)腸癌干細(xì)胞存活的，研究小組觀察了當(dāng)ALDH1B1被IGUANA或遺傳方法阻斷時(shí)，結(jié)腸癌細(xì)胞中的其他基因是如何受到影響的。活性ALDH1B1的缺失降低了參與線粒體能量生產(chǎn)的基因的活性，以及被稱為核糖體的關(guān)鍵細(xì)胞結(jié)構(gòu)的功能。Chen說:“這些發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)了人們對(duì)線粒體代謝和某些核糖體功能有利于癌細(xì)胞中干細(xì)胞狀態(tài)的日益增長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)。”

陳說，IGUANAs可能成為一種靶向抗癌藥物，可以獨(dú)立發(fā)揮作用，也可以與化療結(jié)合。在這項(xiàng)研究中，研究小組表明，IGUANAs能夠抑制來自患者的結(jié)腸癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，但對(duì)非癌細(xì)胞幾乎沒有影響。在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用了IGUANA和氟尿嘧啶(一種結(jié)腸癌的主要化療藥物)的混合物，并發(fā)現(xiàn)這種混合物比單獨(dú)使用氟尿嘧啶更有效地殺死結(jié)腸癌球形細(xì)胞。IGUANAs甚至能阻止耐氟尿嘧啶的癌細(xì)胞形成富含干細(xì)胞的球狀體。

Chen說，研究團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是進(jìn)一步了解ALDH1B1在癌細(xì)胞干細(xì)胞中的作用，并獲得適合用于藥物開發(fā)的ALDH1B1阻斷分子。后者的努力現(xiàn)在得到了斯坦福創(chuàng)新藥物加速器的支持。他的團(tuán)隊(duì)還希望創(chuàng)造出能夠擾亂ALDH家族成員的分子，這些成員與其他癌癥有關(guān)。

“我們希望通過在斯坦福大學(xué)的研究獲得的基本見解將擴(kuò)展到新的臨床療法，”Chen說。

這項(xiàng)工作得到了斯坦福SPARK轉(zhuǎn)化研究項(xiàng)目和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的支持。

參考資料：

[1]Targeting colorectal cancer with small-molecule inhibitors of ALDH1B1