上海交大PNAS发文,揭示砒霜抗肿瘤机制
来自上海交通大学的研究人员证实,砒霜(三氧化二砷,As2O3)可以明显抑制肿瘤细胞中糖酵解通路限速酶己糖激酶2(HK2: hexokinase-20)的活性而影响细胞代谢,最终导致肿瘤细胞的凋亡。这一研究成果于11月23日在美国科学院院报(PNAS)上在线发表。


来自上海交通大学的研究人员证实,砒霜(三氧化二砷,As2O3)可以明显抑制肿瘤细胞中糖酵解通路限速酶己糖激酶2(HK2: hexokinase-20)的活性而影响细胞代谢,最终导致肿瘤细胞的凋亡。这一研究成果于11月23日在美国科学院院报(PNAS)上在线发表。

经过几代中国科学家的努力,As2O3在治疗APL(急性早幼粒细胞白血病)上取得了显著的成功,其药物作用靶点和分子机制均已阐明。除APL外,大量已有的研究表明As2O3在其它多种恶性肿瘤的治疗方面也有较大的潜力,但相关机制不清。As2O3在细胞内的作用可能非常广泛,采用高通量技术手段,从系统层次揭示其作用机制是有效的研究策略。

以往的研究采用As2O3处理细胞,通过分析转录组和蛋白组的变化来解读As2O3如何影响众多的分子通路。这些研究可以给出一些有价值的信息,但均为As2O3处理后所观察到的间接变化,仍然不能告诉我们As2O3作用中最重要的信息:具体的靶标蛋白质是哪些?


利用包含~17,000个重组人蛋白质的蛋白质组芯片,本文作者发展了一套基于蛋白质组芯片的小分子相互作用蛋白质快速发现技术。通过全局性扫描,发现了360个As2O3直接作用蛋白。而此前几十年的研究中全世界的研究者所发现的砷直接相互作用蛋白质总数不超过20个。进一步通过生物信息学分析发现As2O3能影响一系列通路,其中最显著的是糖酵解通路。与正常细胞不同,即使在有氧的情况下,肿瘤细胞中的糖酵解也普遍存在,这一现象被称之为Warburg效应。本研究表明As2O3能与糖酵解通路中的绝大部分蛋白质发生直接相互作用。As2O3在体外和体内均能显著地抑制肿瘤细胞糖酵解的限速酶己糖激酶2(HK2)的活性,进而影响代谢并最终导致肿瘤细胞的凋亡。同时采用质谱鉴定了HK2与As2O3的结合位点,从结构生物学的角度给出了As2O3是如何通过相互作用而影响HK2活性的解释。

As2O3直接相互作用蛋白质全局性发现研究的成功表明蛋白质芯片平台是快速、全局寻找药物靶标的强有力工具。蛋白质芯片有很好的通用性,将可应用于一系列重要药物分子的直接相互作用蛋白质的发现,尤其是源自中医药宝库的药物分子,助推精准医学的发展。本研究中所找到的众多As2O3靶标蛋白也将为后续As2O3在除APL外的其它肿瘤治疗上的应用提供指引。

该研究得到国家高技术研究发展计划(863计划)和自然科学基金的支持。文章共同第一作者分别为上海交通大学系统生物医学研究院张海南博士、杨丽娜博士以及山东大学的凌建亚教授。上海交通大学系统生物医学研究院陶生策研究员与上海交通大学医学院附属瑞金医院陈竺院士为本文的通讯作者。陶生策研究员主要研究方向为蛋白质芯片技术的开发和应用,建立了系列特色蛋白质芯片技术平台,并应用于医学和临床相关重大科学问题的系统性研究。

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  • Systematic identification of arsenic-binding proteins reveals that hexokinase-2 is inhibited by arsenic

    Arsenic is highly effective for treating acute promyelocytic leukemia (APL) and has shown significant promise against many other tumors. However, although its mechanistic effects in APL are established, its broader anticancer mode of action is not understood. In this study, using a human proteome microarray, we identified 360 proteins that specifically bind arsenic. Among the most highly enriched proteins in this set are those in the glycolysis pathway, including the rate-limiting enzyme in glycolysis, hexokinase-1. Detailed biochemical and metabolomics analyses of the highly homologous hexokinase-2 (HK2), which is overexpressed in many cancers, revealed significant inhibition by arsenic. Furthermore, overexpression of HK2 rescued cells from arsenic-induced apoptosis. Our results thus strongly implicate glycolysis, and HK2 in particular, as a key target of arsenic. Moreover, the arsenic-binding proteins identified in this work are expected to serve as a valuable resource for the development of synergistic antitumor therapeutic strategies.

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