STAT3抑制劑和抗腫瘤活性設計研究進展綜述

..STAT3抑制劑及其抗腫瘤活性研究進展摘要信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄激活因子〔STATs是一類發(fā)揮信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)作用的蛋白質(zhì)家族,它們可以作為信號轉(zhuǎn)導分子和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子參與到細胞因子和生長因子對于正常細胞的調(diào)控作用中。STATs的異常激活,特別是STAT3激活,和多種人類惡性腫瘤相關(guān)聯(lián)。信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因3<STAT3>為細胞內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導蛋白,與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),抑制STAT3的過度的表達為治療腫瘤的手段之一。分別從肽和擬肽類、天然產(chǎn)物類以及虛擬篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn)的小分子這幾個方面對目前已報道的STAT3抑制劑的抗腫瘤活性及其構(gòu)效關(guān)系的研究進展進行綜述。關(guān)鍵詞信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子3;抗腫瘤活性;構(gòu)效關(guān)系；展望前言信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子<signaltransducerandactivatoroftranscription,STAT>家族為一類既具信號傳導功能又有轉(zhuǎn)錄活化功能的胞漿蛋白,可與不同的細胞因子受體結(jié)合,并將胞外信號傳遞至細胞核內(nèi),從而引發(fā)相應靶基因的轉(zhuǎn)錄。作為STAT家族成員之一的STAT3因具有多種重要作用<如可調(diào)節(jié)細胞生長、分化和程序性死亡以及血管形成等>而備受研究人員關(guān)注。近來研究顯示,在正常生理狀態(tài)下,STAT3蛋白的激活受到嚴格控制;而在多種腫瘤<如乳腺癌、卵巢癌、頭頸部鱗狀細胞癌、前列腺癌、惡性黑色素瘤、多發(fā)性骨髓瘤、淋巴瘤、腦瘤、非小細胞肺癌及各種白血病等>的細胞中均可見該蛋白過度激活且呈高水平表達[1]。研究人員發(fā)現(xiàn),利用RNA干擾技術(shù),可抑制結(jié)腸癌細胞中STAT3的表達,促進結(jié)腸癌細胞凋亡。由此證實,人類STAT3可作為癌癥治療的重要靶點[2],原因是STAT3被激活后可產(chǎn)生免疫抑制作用,抑制STAT3的過度表達不僅能阻斷腫瘤細胞的過度增殖,還可增強機體對腫瘤的免疫能力。機制研究顯示,STAT3為表皮生長因子受體<EGFR>信號傳導途徑、由白介素-6<IL-6>介導的JAK-STAT3途徑和由src基因介導的信號傳導途徑等多個致癌性酪氨酸激酶信號通路匯聚的"焦點",其被激活后,可發(fā)生二聚化并易位到細胞核內(nèi),然后與靶基因［包括bcl-xl、bcl-2、cyclinD1、c-myc和mcl-1基因以及血管內(nèi)皮生長因子<VEGF>、IL-10、IL-2和轉(zhuǎn)化生長因子-β<TGF-β>等的基因］啟動子上的特定位點結(jié)合,從而調(diào)節(jié)靶基因的表達。干擾素、白介素等細胞因子或EGFR等生長因子與各自受體結(jié)合后可活化Janus激酶<Januskinase,Jak>及信號轉(zhuǎn)錄因子與活化子<signaltransducerandactivatoroftranscription,STAT>,STAT入核后參與基因轉(zhuǎn)錄,調(diào)控細胞增殖.分化、免疫調(diào)節(jié)等過程。研究表明該通路在許多實體瘤和血癌中活動旺盛,STAT3常因變異而組成性活化,可通過促進原癌基因表達而誘導細胞增殖、血管生成和轉(zhuǎn)移。與其他STAT成員結(jié)構(gòu)相似,STAT3可分為6個部分:N端的氨基酸保守序列、螺旋區(qū)、DNA結(jié)合域、連接區(qū)、Src同源2<Srchomology2,SH2>結(jié)構(gòu)域和C端的轉(zhuǎn)錄活化區(qū)[3-4］。STAT3抑制劑的抗腫瘤機制主要包括:1>抑制STAT3-STAT3二聚體的形成;2>抑制STAT3磷酸化;3>抑制STAT3與靶DNA在細胞核內(nèi)的結(jié)合。目前研究較多的STAT3抑制劑按類別可分為肽和擬肽類、天然產(chǎn)物類以及通過計算機藥物虛擬篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn)的小分子,本文就此分類綜述STAT3抑制劑的抗腫瘤活性及其構(gòu)效關(guān)系研究進展,旨在為相關(guān)抗腫瘤藥物的研發(fā)提供參考。1肽和擬肽類STAT3抑制劑該類STAT3抑制劑系STAT3、表皮生長因子受體<EGFR>或糖蛋白130<gp130>上705位酪氨酸磷酸化產(chǎn)物<phosphotyrosine-705,pTry-705>周圍的氨基酸殘基序列為模板而設計合成的磷酸肽,其主要靶點為STAT3的SH2結(jié)構(gòu)域。該類抑制劑可阻斷STAT3與細胞因子受體或生長因子受體結(jié)合而阻止STAT3的磷酸化、二聚體化及核易位,還能抑制STAT3二聚體與DNA結(jié)合,防止凋亡抑制基因和細胞分裂基因的過度表達。2001年,Turkson等［5］在細胞核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了連接于STAT3蛋白SH2域、由6個氨基酸構(gòu)成的磷酸肽PpYLKTK<圖1,其中"P"代表脯氨酸殘基,"pY"代表磷酸酪氨酸殘基,"L"代表亮氨酸殘基,"K"代表賴氨酸殘基,"T"代表蘇氨酸殘基>,并將其提取出來進行活性研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),此肽能有效抑制STAT3與DNA的結(jié)合<IC50為235μmol·L－1>、并能抑制STAT3的激活和轉(zhuǎn)錄活性,且還可阻斷Src激酶誘導的STAT3依賴性成纖維細胞轉(zhuǎn)化。進一步的研究發(fā)現(xiàn),磷酸酪氨酸以及與其相鄰的"Y+1"位亮氨酸殘基和"Y-1"位的任意氨基酸殘基所組成的部分,是此類肽分子具有STAT3抑制活性的必需肽單位。因此,該研究小組認為能抑制STAT3二聚體形成的最小肽分子應為型如XpYL<"X"為任意氨基酸殘基>的三肽,如PpYL<圖2>,體外活性研究顯示,其抑制STAT3二聚體形成的IC50為<182±15>μmol·L－1。\圖1圖1磷酸肽PpYLKTK圖2PpYL在STAT3信號轉(zhuǎn)導過程中,STAT3蛋白上的磷酸酪氨酸殘基不斷地由gp130、白血病抑制因子受體<LIFR>、白介素10受體<IL-10R>和粒細胞集落刺激因子受體<G-CSFR>補給,且該補給以上述受體與STAT3蛋白上的SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合為前提。而研究還發(fā)現(xiàn),這些受體蛋白上均有一相同序列--YXXQ<"Y"代表酪氨酸殘基,"Q"代表谷氨酰胺殘基>。由此,Ren等[6]從gp130的磷酸化蛋白中發(fā)現(xiàn)了另一STAT3抑制劑pYLPQTV<圖3,其中"V"代表纈氨酸殘基>,該肽分子可有效抑制STAT3與DNA結(jié)合,IC50為0.15μmol·L－1。圖3pYLPQTV此外,研究人員還以STAT3蛋白第705位磷酸酪氨酸殘基周圍的氨基酸殘基序列為模板設計了另一種短肽——乙?；?pYLKTKF<圖4,其中"F",代表苯丙氨酸殘基>,發(fā)現(xiàn)其亦具有抑制STAT家族蛋白活性的作用,且研究顯示,該短肽與STAT3SH2的親和力較強,對STAT3的抑制常數(shù)K為25.9μmol·L－1［7］。圖4乙?；?pYLKTKF2來源于天然產(chǎn)物的STAT3抑制劑盡管肽類和擬肽類化合物具有較高的生物活性,但由于此類抑制劑易在體內(nèi)代謝失活,且生物利用度較低,因而成藥性并不令人滿意。近年來,非肽類STAT3抑制劑也備受研究人員關(guān)注,人們已從天然產(chǎn)物中獲得了多種具有STAT3抑制活性的活性單體,且多為萜類和黃酮類等物質(zhì)。STAT的天然抑制劑報道較多,如JSI-124<葫蘆素I>可快速抑制STAT3組成性活化的腫瘤細胞增殖,延長實驗動物的生存時間[8];對各種腫瘤有廣泛作用的多靶點天然產(chǎn)物姜黃素、白黎蘆醇表現(xiàn)出對STAT3的抑制活性;黃酮類化合物Flavopiridol能阻斷STAT3與DNA的結(jié)合;去氧四角霉素則是通過虛擬庫篩選得到的STAT3抑制劑,此外環(huán)戊烯酮類化合物、靛玉紅衍生物對STAT3也有一定的抑制活性。2.1萜類具有STAT3抑制活性的萜類物質(zhì)多為三萜和二萜,前者主要為齊墩果烷型三萜,后者主要是Jolkinolide型二萜和丹參酮類二萜。三萜類：主要介紹兩種,第一種：齊墩果烷型三萜因具有抗炎、抗氧化和抗增殖等多種活性而成為藥物設計研究的熱點。在已知的幾百個合成的齊墩果酸類三萜類化合物中,2-氰基-3,12-二氧代齊墩果烷-1,9<11>-二烯-28-酸<CDDO,圖5>及其甲酯CDDO-Me<圖5>已進入臨床研究階段,用于非白血性白血病和實體瘤的治療;此外,CDDO的另一種衍生物CDDO-IM<圖6>也具有良好的抗腫瘤活性。研究顯示,CDDO-Me能通過抑制STAT3信號的傳導而抑制乳腺癌細胞的生長[9]還可通過抑制IL-6的表達和STAT3的磷酸化作用而殺死多重耐藥的卵巢癌細胞［10］;CDDO-IM則能抑制STAT3蛋白磷酸化,誘導細胞凋亡,導致骨髓瘤和肺癌細胞的凋亡［11］,并能抑制STAT3蛋白的激活,從而阻止卵巢癌細胞的生長[12］。圖5其中,R為H,圖為為2-氰基-3,12-二氧代齊墩果烷-1,9<11>-二烯-28-酸〔CDDO；R為CH3,圖為2-氰基-3,12-二氧代齊墩果烷-1,9<11>-二烯-28-酸的甲酯〔CDDO-Me圖6CDDO-IM另一種三萜類STAT3抑制劑為葫蘆素<cucurbitacin>類化合物,其在葫蘆科植物中含量較高,具有細胞毒性和抗腫瘤活性。有文獻報道,此類化合物能干擾JAK/STAT信號傳導通路,尤其是能抑制STAT3的信號傳導,可作為抗腫瘤藥物的先導化合物。二萜類：Jolkinolide型二萜的基本結(jié)構(gòu)為四環(huán)二萜,具有多種藥理活性,尤其是顯著的抗腫瘤作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),17-羥基-JolkinolideB<HJB,圖7>可通過與Janus激酶<JAK>共價交聯(lián)而抑制STAT3的信號傳導,從而誘導腫瘤細胞凋亡。體外抗腫瘤活性研究顯示,其在5μmol·L－1濃度下對人肝癌HepG2細胞和人乳腺癌MDA-MB-468細胞的抑制率分別為77.85%和69.03［13-14］。圖717-羥基-Jolkinolide〔HJB>2.2黃酮類黃酮類化合物具有廣泛的藥理活性尤其是抗腫瘤活性,因而極具藥用價值。文獻［15-16］報道,黃酮類化合物flavopiridol<圖8>和silibinin<圖9>均可抑制STAT3信號傳導途徑。圖8flavopiridol<圖9silibinin圖9silibinin2.3其他除萜類和黃酮類化合物外,近來國外文獻還報道了其他一些對STAT3信號傳導途徑具有抑制活性的天然產(chǎn)物,如靛玉紅衍生物E564、E728和E804〔圖10-12、1,2,3,4,6-五-O-沒食子酰基-β-D-葡萄糖<PGG,圖13>和PhaeosphaerideA<圖14>等等。101112101112圖10-12靛玉紅衍生物E564、E728和E804圖13PGG圖14PhaeosphaerideA3通過計算機藥物虛擬篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn)的STAT3抑制劑近來,研究人員通過計算機藥物虛擬篩選技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一些對STAT3信號傳導途徑有抑制活性的小分子化合物。Song等［17］應用該項技術(shù)獲得活性化合物STA-21,其能與STAT3的SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合,并抑制STAT3蛋白與DNA結(jié)合及STAT3自身的二聚體化,從而阻斷STAT3信號傳導途徑。體外活性研究顯示,與濃度為20～30μmol·L－1的STA-21共孵育48h,可使STAT3過度表達的乳腺癌細胞株MDA-MB-435S、MDA-MB-468和231發(fā)生凋亡。STA-21抗腫瘤活性雖較高,但其合成較為困難,因此研究人員便以STA-21為先導化合物進行改造,以尋求易合成且保持高活性的STAT3小分子抑制劑。4展望STAT3幾乎在所有的實體瘤和血液性腫瘤中均會過度激活,且其水平與腫瘤分化程度、浸潤轉(zhuǎn)移及預后密切相關(guān),因此,其作為腫瘤治療的新靶點受到越來越多的關(guān)注,如今已有大量關(guān)于STAT3抑制劑及其抗腫瘤活性的研究。當然,目前對STAT3抑制劑抗腫瘤作用的研究大多數(shù)還停留在體外活性初篩的水平,在動物體內(nèi)進行的藥理和毒理研究則較少,進入臨床研究階段的活性化合物更是寥寥無幾。STAT3抑制劑作為一類新型抗腫瘤藥,其距離臨床應用還有很長的路要走。參考文獻唐古生,蔡建明,韓玲．STAT3與腫瘤治療［J］．實用腫瘤雜志,2004,19<3>:257-260．FanY,ZhangYL,WuY,etal．Inhibitionofsignaltransducerandactivatoroftranscription3expressionbyRNAinterferencesuppressesinvasionthroughinducinganoikisinhumancoloncancercells［J］．WorldJGastroenterol,2008,14<3>:428-434．BrombergJF,WrzeszczynskaMH,DevganG,etal．Stat3asanoncogene［J］．Cell,1999,98<3>:295-303．LimCP,CaoXM．Structure,function,andregulationofSTATproteins［J］．MolBiosyst,2006,2<11>:536-550．TurksonJ,RyanD,KimJS,etal．PhosphotyrosylpeptideblockStat3-mediatedDNAbindingactivity,generegulation,andcelltransformation［J］,JBiolChem,2001,276<48>:45443-45455．RenZY,CabellLA,SchaeferTS,etal．Identificationofahigh-affinityphosphopeptideinhibitorofstat3［J］．BioorgMedChemLett,2003,13<4>:633-636．ChenJ,Nikolovska-ColeskaZ,YangCY,etal．Designandsynthesisofanew,conformationallyconstrained,macrocyclicsmall-moleculeinhibitorofSTAT3via‘clickchemistry’［J］．BioorgMedChemLett,2007,17<14>:3939-3942[8]TurksonJ,KimJS,ZhangS,etal．Novelpeptidomimeticinhibitorsofsignaltransducerandactivatoroftranscrip-ProgressinPharmaceuticalSciencestion3dimerizationandbiologicalactivity［J］．MolCancerTher,2004,3<3>:261-269．[9]LingX,KonoplevaM,ZengZ,etal．ThenoveltriterpenoidC-28methylesterof2-cyano-3,12-dioxoolen-1,9-dien-28-oicacidinhibitsmetastaticmurinebreasttumorgrowththroughinactivationofSTAT3signaling［J］．CancerRes,2007,67<9>:4210-4218．［10］DuanZ,AmesRY,RyanM,etal．CDDO-Me,asynthetictriterpenoid,inhibitsexpressionofIL-6andStat3phosphorylationinmulti-drugresistantovariancancercells［J］．CancerChemotherPharmacol,2009,63<4>:681-689．［11］LibyK,VoongN,WilliamsCR,etal．ThesynthetictriterpenoidCDDO-ImidazolidesuppressesSTATphosphorylationandinducesapoptosisinmyelomaandlungcancercells［J］．ClinCancerRes,2006,12<14Pt1>:4288-4293．［12］PetronelliA,SaulleE,PasquiniL,etal．HighsensitivityofovariancancercellstothesynthetictriterpenoidCDDOImidazolide［J］．CancerLett,2009,282<2>:214-228．［13］WangYL,MaX,YanS,etal．17-hydroxy-jolkinolideBinhibitssignaltransducersandactivatorsoftranscription3signalingbycovalentlycross-linkingJanuskinasesandinducesapopt