“該工作將可能帶來(lái)通過(guò)這個(gè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)針對(duì)癌細(xì)胞的分子”

                                                                                           ——美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)藥學(xué)院Carducci教授

“突破性的”（ground-breaking）工作，不僅“從基礎(chǔ)化學(xué)層次為Cu(DTC)2的性質(zhì)帶來(lái)了非常重要和原創(chuàng)的見(jiàn)解”，還發(fā)展了“藥物機(jī)理化學(xué)的新方法，結(jié)果具有啟發(fā)性”。

——《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》審稿人

癌癥是當(dāng)前威脅人類(lèi)生命健康的最大殺手?；熥鳛槟壳爸委煱┌Y的主要方法之一，其原理是利用對(duì)細(xì)胞有毒的分子藥物殺死癌細(xì)胞，對(duì)于轉(zhuǎn)移性的中晚期腫瘤，化療也是目前最有效的手段。但是，化療藥物在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)，也會(huì)大量殺死正常細(xì)胞，造成巨大的毒副作用，嚴(yán)重?fù)p害了患者身心健康。如何確保藥物能夠定向性地殺死癌細(xì)胞，一直以來(lái)是全球重大前沿研究問(wèn)題之一。

近日，我校物質(zhì)學(xué)院林柏霖團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)展藥物機(jī)理研究的新方法學(xué)，首次發(fā)現(xiàn)了好氧生物細(xì)胞內(nèi)普遍存在的還原性保護(hù)機(jī)制有著不為人知的漏洞，同時(shí)首次揭示了古老戒酒藥雙硫侖利用這一漏洞在臨床上實(shí)現(xiàn)癌癥廣譜治療的化學(xué)機(jī)制，為發(fā)展定向殺死癌細(xì)胞的化療藥物和方法學(xué)提供了全新的通用思路和科學(xué)基礎(chǔ)。該工作近期以“Universal Anticancer Cu(DTC)2Discriminates Between Thiols and Zinc(II) Thiolates Oxidatively”為題在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上在線(xiàn)發(fā)表。

人類(lèi)等好氧生物的生存離不開(kāi)氧氣，但是細(xì)胞內(nèi)又包含大量容易被氧化性環(huán)境破壞的生理功能位點(diǎn)。在自然基金委大科學(xué)裝置聯(lián)合基金培育項(xiàng)目（U1532125）和上科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持下，林柏霖團(tuán)隊(duì)三年多來(lái)一直致力于發(fā)展二價(jià)銅離子氧化酶和蛋白質(zhì)中鋅硫配位位點(diǎn)的模型反應(yīng)方法學(xué)，用于探索好氧生物這一氧化還原矛盾統(tǒng)一體背后的科學(xué)奧秘。

鋅和銅都是生命體不可或缺的微量元素。哺乳動(dòng)物體內(nèi)很多重要的酶和蛋白質(zhì)的核心功能單元都具有鋅硫配位鍵。其中，在眾多生理過(guò)程中起了關(guān)鍵作用的鋅指蛋白編碼序列在全基因中占有異常高的比例，達(dá)到了約1%。但是，鋅硫配位單元卻容易被以二價(jià)銅為代表的氧化劑所氧化破壞。因此，好氧生物體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化，構(gòu)筑了以細(xì)胞內(nèi)高濃度的硫醇和NAD(P)H為基礎(chǔ)的還原性防護(hù)機(jī)制，通過(guò)對(duì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的氧化劑進(jìn)行還原淬滅，為鋅硫蛋白等易受氧化損傷的關(guān)鍵生理功能位點(diǎn)提供嚴(yán)密的還原性保護(hù)，從而抑制了氧化性環(huán)境帶來(lái)的有害損傷。通俗而言，這一機(jī)制的功能類(lèi)似于保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)免受病毒攻擊的防火墻。在經(jīng)典生物化學(xué)認(rèn)知范式里，二價(jià)銅離子進(jìn)入細(xì)胞后會(huì)被硫醇/NAD(P)H還原成一價(jià)銅離子，從而失去了其對(duì)鋅硫配位單元固有的氧化破壞能力。

林柏霖團(tuán)隊(duì)為了探索這一機(jī)制背后的分子級(jí)別科學(xué)原理，首次借鑒金屬酶研究領(lǐng)域經(jīng)典的模型方法學(xué)，發(fā)展出了結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)的鋅硫蛋白小分子模型化合物，清晰地把二價(jià)銅氧化鋅硫單元這一過(guò)程的核心基礎(chǔ)反應(yīng)活性從生物體內(nèi)復(fù)雜的背景中提煉出來(lái)。首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在鋅硫單元和硫醇/NAD(P)H之間存在著一個(gè)細(xì)微的氧化還原反應(yīng)窗口。而合適的配體，例如古老戒酒藥雙硫侖的體內(nèi)代謝物二乙基二硫代氨基甲酸（DTC），可以把二價(jià)銅的氧化能力恰到好處地調(diào)節(jié)到這個(gè)窗口中間。

雙硫侖作為一種戒酒藥已經(jīng)使用了近70年。它通過(guò)阻止身體分解乙醛，產(chǎn)生急性乙醇敏感性，包括立即產(chǎn)生和增強(qiáng)的宿醉效應(yīng)。但兩年前，科學(xué)家通過(guò)大范圍流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，它的銅復(fù)合物具有臨床上廣譜治療癌癥的效果。林柏霖團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)首次揭示二價(jià)銅通過(guò)DTC的特殊調(diào)節(jié)能力，在獲得了抵抗硫醇和NAD(P)H還原的能力的同時(shí)，很好地保留了其氧化鋅硫單元的活性。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了活性質(zhì)子的存在與否是導(dǎo)致這一特殊氧化還原反應(yīng)選擇性的重要因素，因此，癌細(xì)胞內(nèi)的異常酸性環(huán)境會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化這種選擇性，對(duì)定向化療是一個(gè)有利的因素。

基于發(fā)現(xiàn)的綜合模型反應(yīng)和已有文獻(xiàn)信息，林柏霖團(tuán)隊(duì)提出了雙硫侖廣譜定向治療癌癥的首個(gè)可能的分子級(jí)別機(jī)制。首先，腫瘤組織會(huì)選擇性富集銅離子，這個(gè)已經(jīng)有相當(dāng)多的文獻(xiàn)證據(jù)。其次，雙硫侖會(huì)通過(guò)常規(guī)體內(nèi)代謝生成DTC，在內(nèi)循環(huán)中碰到腫瘤組織后，與富集的銅離子在生成強(qiáng)螯合共價(jià)配位鍵的驅(qū)動(dòng)下，原位產(chǎn)生強(qiáng)疏水性的Cu(DTC)2小分子配位化合物。這一組合使銅離子不僅避免了被調(diào)控蛋白捕獲命運(yùn)，還擁有了直接穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的能力。之后，在癌細(xì)胞內(nèi)遠(yuǎn)高于正常細(xì)胞的酸性環(huán)境下，Cu(DTC)2因其特殊的氧化選擇性，克服了細(xì)胞內(nèi)還原性保護(hù)屏障，進(jìn)而通過(guò)氧化細(xì)胞內(nèi)包括與被泛素化蛋白隔離有關(guān)的NPL4等蛋白在內(nèi)的鋅指區(qū)域的鋅硫位點(diǎn)，誘導(dǎo)蛋白變性。因此，包括p97-UFD1-NPL4降解癌細(xì)胞快速增殖產(chǎn)生殘次蛋白在內(nèi)的通路會(huì)被抑制，進(jìn)而癌細(xì)胞被選擇性殺死。

該工作首次清晰地揭示了雙硫侖治療癌癥背后對(duì)好氧生物可能普適的分子級(jí)別機(jī)理，為潛在的癌癥定向化療藥物和方法學(xué)開(kāi)創(chuàng)了全新的通用機(jī)制?！兜聡?guó)應(yīng)用化學(xué)》的審稿人高度評(píng)價(jià)該工作是“突破性的”（ground-breaking），不僅“從基礎(chǔ)化學(xué)層次為Cu(DTC)2的性質(zhì)帶來(lái)了非常重要和原創(chuàng)的見(jiàn)解”，還發(fā)展了“藥物機(jī)理化學(xué)的新方法，結(jié)果具有啟發(fā)性”。除格式修正外，該論文未做任何調(diào)整，即被《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志直接采納，在線(xiàn)發(fā)表后即獲得業(yè)內(nèi)關(guān)注。美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)藥學(xué)院Carducci教授評(píng)價(jià)：“該工作將有可能促使利用這個(gè)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)針對(duì)癌細(xì)胞的分子”。

該論文的主要工作在上科大物質(zhì)學(xué)院完成，上科大為第一完成單位。2018級(jí)博士研究生徐路燕與2015級(jí)本科生胥嘉麟為論文并列第一作者、共同作者；物質(zhì)學(xué)院分析測(cè)試中心余娜博士參與了模型化合物的單晶結(jié)構(gòu)測(cè)量和解析工作；上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)化工學(xué)院2017級(jí)研究生朱經(jīng)緯，姚子健副教授和鄧維教授（共同通訊）參與了模型化合物的合成工作；中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院光源王宇副研究員（共同通訊）參與了樣品的同步輻射表征工作；上科大物質(zhì)學(xué)院林柏霖為最后署名通訊作者。上科大生命學(xué)院莊敏教授和物質(zhì)學(xué)院劉海銘研究員也為課題提供了有益的討論。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.201814519

圖1雙硫侖治療癌癥的作用機(jī)理

圖2基于配體設(shè)計(jì)的可調(diào)控氧化還原窗口