川大楊金亮團隊揭示微管抑制劑Taccalonolide AJ的作用機制

BioArt按：迄今為止，已有數以百計的天然產物通過實驗證實具有抗癌作用。在臨床使用的抗腫瘤化療藥物中，60 %以上源自天然產物或其衍生物。其中，以微管為靶點的抗癌藥物是天然產物研究的重要領域。以紫杉醇和長春鹼為代表的微管抑制劑來源於天然植物，已應用於臨床治療癌症達半個多世紀。因此，以微管蛋白為靶點的小分子藥物的研究開發一直都是抗癌研究的重要方向，也是全球醫藥工作者關注的熱點領域。6月7日，來自四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室楊金亮教授領導的研究團在Nature Communications雜誌上在線發表了題為「Mechanism of microtubule stabilization by taccalonolide AJ」的論文，該研究充分利用結構生物學、計算化學和生物化學等技術和手段揭示了來源於箭根酮屬的天然半合成衍生物Taccalonolide AJ與微管蛋白的相互作用機制。該研究也是首次從分子、原子、化學鍵的角度解析了迄今為止唯一可以結合在微管β亞基上的甾體類天然產物的作用機制，為Taccalonolides的結構優化和設計奠定了基礎。論文第一作者王譽熹博士，論文共同通訊作者為楊金亮教授和陳強副研究員。

論文解讀：

天然產物是大自然對人類的饋贈，也是新葯的源泉。迄今為止，已有數以百計的天然產物通過實驗證實具有抗癌作用。在臨床使用的抗腫瘤化療藥物中，60 %以上源自天然產物或其衍生物。其中，以微管為靶點的抗癌藥物是天然產物研究的重要領域。微管蛋白是真核細胞中最重要的蛋白之一，對細胞形態的維持和細胞的分裂起到關鍵性的作用。以紫杉醇（下圖）和長春鹼為代表的微管抑制劑來源於天然植物，能有效地干擾微管蛋白髮揮正常的生物學功能，從而誘導癌細胞凋亡，已應用於臨床半個多世紀，為人類抗擊癌症做出了重要貢獻。因此，以微管蛋白為靶點的小分子藥物的研究開發一直都是抗癌研究的重要方向，也是全球醫藥工作者關注的熱點領域。

紫杉醇Taxol。圖片來源於網路

Taccalonolides屬於新型結構（甾體類）的微管抑制劑，具有干擾微管-微管蛋白動力學穩定性作用。該類化合物與紫杉醇具有類似的作用特點，可以誘導和促使微管聚合，使細胞凋亡。與紫杉醇不同的是，這類化合物不是P-糖蛋白的底物，對於紫杉醇耐葯的腫瘤細胞，它們依然有效。這個特點吸引了國內外多個課題組的關注，希望可以開發成藥物來對抗紫杉醇耐葯的腫瘤。但是天然的箭根酮內酯類化合物的體外抑瘤率遠不如紫杉醇，最近國外研究團隊開發了半合成衍生物Taccalonolide AJ，與天然的Taccalonolide相比，抗腫瘤活性顯著增強，體外IC50可以達到nM級，但是Taccalonolide AJ的具體作用機制尚不清楚。

在生物治療國家重點實驗室楊金亮教授的指導下，王譽熹博士利用生物化學、透射電鏡、X射線晶體衍射、計算化學以及核磁共振等多種技術，揭示了Taccalonolide AJ與微管蛋白相互作用的機制，是通過與微管β亞基226天冬氨酸進行共價結合後，使得M-loop的構象從「關閉」到 「打開」，從loop變成helix。在此基礎上，揭示了形成共價鍵的機理以及Taccalonolide AJ干擾微管正常生物學功能的全新機制。

Taccalonolide AJ穩定微管的機制可以從三個方面進行解釋： Taccalonolide AJ可以促使微管趨向於降低β2亞基頂部GTP的水解；Taccalonolide AJ誘導了β亞基M-loop的構象從「關閉」到 「打開」，從loop變成helix，進而促進了微管橫向的穩定性；Taccalonolide AJ具有促進微管束穩定，尤其是使頂點「cap」處於GTP結合的狀態，從而加固了微管的穩定。該研究首次從分子、原子、化學鍵的角度解析了迄今為止唯一可以結合在微管β亞基上的甾體類天然產物的作用機制，為Taccalonolides的結構優化和設計奠定了基礎。

據悉，生物治療國家重點實驗室的陳強副研究員為該論文的共同通訊作者，他主要負責該研究的晶體結構數據分析和生化實驗，為本研究做出了重要貢獻。法國國家科學院的資深教授Beno?t Gigant博士對本研究給予了指導和幫助，並高度評價了該工作重要性，他也是本論文的共同作者。此外，該團隊還與猶他大學、莫納什大學、馬里蘭州大學、田納西州立大學、中科院上海藥物所、南開大學、中國海洋大學等多所高校和研究機構在微管抑制劑和微管複合物結構生物學研究等方面開展了密切合作，充分體現了協同創新的重要性。

論文第一作者王譽熹博士，論文共同通訊作者楊金亮教授和陳強副研究員。

通訊作者簡介

楊金亮，四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室教授，基因工程抗體研究室主任。主要研究方向為腫瘤細胞生物學、抗體藥物研發、腫瘤免疫基因治療和蛋白質組學。近年來，以通訊作者身份在Nature Communications, Angew. Chem. Int. Ed., J Control Release, Molecular Pharmacology, Journal of Molecular Medicine, FEBS Journal等雜誌上發表SCI論文60餘篇。獲得授權發明專利6項。

陳強，四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室副研究員。研究方向主要是運用X-光晶體學以及其它實驗方法研究生物大分子的結構與功能的關係。迄今已在Nature, Nature Communications, Science Advances, PNAS, JCS, FASEB J, JMB, FEBS J等雜誌發表SCI論文21篇，其中2篇被「Faculty of 1000」推薦。受邀為Cell Research, BMC Genomics, Scientific Reports等雜誌審稿。

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