Abstract
Novel therapeutic strategies are urgently needed for the treatment of colorectal cancer (CRC), which is the third most common cancer and the second leading cause of cancer-related mortality worldwide. Natural products are a pivotal source for the discovery of new anticancer agents. Oridonin (DLC) and its derivatives have demonstrated the ability to inhibit malignancy through regulating multiple pathways, presenting promising options for CRC therapy. In this work, we identified an DLC derivative, oridonin 13 (DLC13), which exhibited 11.5-fold and 4.8-fold greater potency against HCT116 and HT29 cell proliferation than DLC, and achieved equivalent tumor suppression in HCT116 xenografts at half the dosage. DLC13 effectively inhibited DNA damage repair, cell cycle progression, stemness, and migration of CRC cells. As a first-line chemotherapeutic agent for CRC, oxaliplatin (OXA) drives aberrant expression of genes involved in DNA damage repair, cell cycle progression, stemness, and migration, leading to the development of OXA resistance. DLC13 was shown to suppress the abnormal gene expression driven by OXA, indicating its potential to reverse OXA resistance. Indeed, we found that DLC13 and OXA synergistically inhibited the malignant proliferation of CRC cells, and DLC13 enhanced the sensitivity of OXA-resistant CRC cells to OXA treatment. Activity-based protein profiling (ABPP) proteomics identified proliferating cell nuclear antigen (PCNA), a critical regulator of DNA replication and repair, as a direct target of DLC13. Importantly, PCNA is a critical driver of OXA resistance in CRC. Further mechanistic studies revealed that DLC13 binds to the QSMDSSH motif of PCNA, facilitating its K48-linked polyubiquitination and subsequent proteasomal degradation, thereby inhibiting the biological function of PCNA. Knockdown of PCNA suppressed CRC cell proliferation, DNA damage repair, cell cycle progression, stemness, and migration, while restoring OXA sensitivity in resistant cells. In summary, PCNA is a direct target of DLC13. DLC13 inhibits malignant proliferation and reverses OXA resistance in CRC by promoting ubiquitination-dependent degradation of PCNA. The combination of oridonin derivatives with OXA may represent a promising approach for treating refractory CRC. Additionally, targeted inhibition of PCNA offers a potential approach to suppress CRC malignancy and overcome OXA resistance.1. 通讯作者及其研究领域
本文的通讯作者包括Shuping Wang(兰州大学)、Lei Shi(中国医科大学附属昆山医院)、Dahong Li(沈阳药科大学)和Shengtao Xu(中国药科大学)。
Shuping Wang 来自兰州大学基础医学院,其研究领域聚焦于抗肿瘤新药的临床前研究,特别是利用天然产物及其衍生物开发新型抗肿瘤药物,并深入探究其分子机制。
Lei Shi 的研究方向涉及神经外科与肿瘤学,关注肿瘤的恶性进展及药物干预策略。
Dahong Li 主要从事基于结构的药物设计与发现,尤其专注于从传统中药中发掘活性先导化合物,并阐明其作用靶点。
Shengtao Xu 的研究方向为药物化学,专注于天然产物的结构优化与活性衍生物的设计合成,以提升其成药性。
这四位通讯作者分别从药物化学、分子生物学、药理学和临床医学等不同角度,共同完成了这项关于冬凌草甲素衍生物DLC13克服结直肠癌奥沙利铂耐药的研究。2. 研究背景与问题的发现2.1 结直肠癌与奥沙利铂耐药的临床挑战
结直肠癌是全球第三大常见癌症,也是癌症相关死亡的第二大原因。尽管手术、放疗和化疗是主要治疗手段,但以奥沙利铂为基础的化疗仍是晚期结直肠癌的一线治疗方案。然而,奥沙利铂耐药性的产生是临床治疗失败的主要原因。耐药机制复杂,包括DNA损伤修复能力增强、细胞周期调控异常、肿瘤干细胞特性增强、上皮-间质转化激活以及药物外排泵过表达等。因此,开发能够逆转奥沙利铂耐药的新型药物和策略具有重要的临床意义。2.2 冬凌草甲素及其衍生物的抗肿瘤潜力
冬凌草甲素是一种从香茶菜属植物中分离得到的贝壳杉烯型二萜类天然产物,具有广泛的药理活性,包括抗炎、抗菌和抗肿瘤作用。前期研究表明,冬凌草甲素可通过调控TP53、Wnt/β-catenin、ROS/JNK/c-Jun等多种信号通路抑制结直肠癌的恶性进展,甚至能部分克服化疗耐药。然而,其中等强度的抗肿瘤活性和较差的药代动力学特性限制了其临床应用。2.3 研究现象的发现与问题的提出
为优化冬凌草甲素的成药性,研究团队通过选择性去除A环上的1-羟基,得到了衍生物DLC13。初步的药代动力学评价显示,DLC13的生物利用度比冬凌草甲素提高了4倍,且体外细胞实验表明,DLC13对结直肠癌细胞的抑制作用显著强于冬凌草甲素。这一现象提示,DLC13可能是一种更具潜力的抗结直肠癌候选分子。
然而,DLC13的具体作用靶点及其逆转奥沙利铂耐药的分子机制尚不明确。因此,该研究旨在系统阐明DLC13抑制结直肠癌恶性进展、并克服奥沙利铂耐药的分子机制,特别是寻找其直接作用的蛋白靶点。3. 关键蛋白或基因在疾病中的研究进展3.1 增殖细胞核抗原在肿瘤中的关键作用
增殖细胞核抗原(PCNA)是一种形成环状三聚体的辅助蛋白,在DNA复制、DNA损伤修复和细胞周期调控中发挥核心作用。它作为DNA聚合酶δ的滑动夹,参与DNA双链断裂的同源重组修复和碱基切除修复。多项研究表明,PCNA在多种癌症中高表达,且与肿瘤的恶性增殖、化疗耐药和不良预后密切相关。
PCNA与化疗耐药:PCNA可通过促进跨损伤DNA合成,帮助肿瘤细胞在DNA损伤性化疗药物(如铂类药物)处理后存活。研究表明,PCNA介导的复制后修复机制参与了对顺铂的耐药。此外,PCNA还可通过诱导复制应激,赋予肿瘤细胞对基因毒性药物的耐受性。
PCNA与肿瘤干细胞特性:PCNA在维持肿瘤干细胞干性中也扮演重要角色,其表达水平与CD44、CD133等干细胞标志物呈正相关。
PCNA与蛋白质降解:PCNA的K48连接的多聚泛素化可引导其通过蛋白酶体途径降解,这一过程受CRL4(Cdt2)E3泛素连接酶复合物以及Cdt1和p21等蛋白的调控。Rad18主要介导PCNA在Lys164位点的单泛素化,此修饰参与DNA损伤耐受,但不直接导致PCNA降解。3.2 奥沙利铂耐药相关基因与通路
除了PCNA,该研究还关注了与奥沙利铂耐药相关的多个关键基因,包括:
DNA修复相关基因:BRCA1、BRCA2、RAD51、XRCC1、XRCC2、EXO1、POLQ等,它们的过表达可增强肿瘤细胞的DNA修复能力,从而抵消奥沙利铂诱导的DNA损伤。
细胞周期相关基因:CDK1、CCNB1、CDC25C等,它们促进细胞周期进程,加速肿瘤细胞增殖。
干细胞与EMT相关基因:CD44、CD133、SOX2、OCT4、VIM、SNAIL等,它们赋予肿瘤细胞干性特征和迁移侵袭能力。4. 主要研究内容与研究思路
本研究以DLC13为核心,系统开展了以下研究:
药效学评价:在细胞和动物水平验证DLC13抑制结直肠癌增殖的效果,并与母体化合物冬凌草甲素进行对比。
机制初探:利用RNA测序分析DLC13处理后结直肠癌细胞的基因表达变化,确定其影响的生物学通路,重点关注DNA修复、细胞周期、干性和迁移。
耐药模型构建:建立奥沙利铂耐药的结直肠癌细胞株(HCT116-OXA)和动物模型(CT26-OXA),并通过转录组分析揭示耐药细胞的特征基因表达谱。
靶点鉴定:设计并合成DLC13的活性探针,利用基于活性的蛋白质组学分析技术,结合pull-down、质谱分析、分子对接、细胞热位移分析等,鉴定DLC13的直接作用靶点。
靶点验证与机制深化:通过基因敲低和过表达、免疫共沉淀、泛素化检测等方法,验证靶点PCNA在DLC13抗肿瘤和逆转耐药中的作用,并阐明DLC13调控PCNA的分子机制(结合位点、诱导降解方式)。
功能回复实验:通过PCNA过表达或PCNA敲低,验证其对DLC13抗肿瘤活性和奥沙利铂敏感性的影响,确立PCNA作为DLC13功能靶点的关键地位。5. 详细研究方法5.1 化合物合成与探针设计
DLC13的合成:通过选择性移除冬凌草甲素A环上的1-羟基,半合成得到DLC13。
探针分子合成:基于DLC13的结构,设计合成了两种活性探针。DLC13-P2为生物素修饰的DLC13类似物,可直接与链霉亲和素磁珠结合用于pull-down实验。DLC13-P1为炔基修饰的DLC13类似物,可通过点击化学与生物素-叠氮化物偶联,同样用于靶蛋白富集。5.2 细胞与动物模型
细胞系:使用人结直肠癌细胞系HCT116和HT29。
奥沙利铂耐药细胞模型:采用浓度梯度递增法持续诱导HCT116细胞,成功建立HCT116-OXA耐药细胞株。
体内耐药模型:通过反复移植和奥沙利铂刺激,在小鼠体内建立了CT26-OXA耐药移植瘤模型。
动物模型:使用BALB/c裸鼠构建HCT116和HCT116-OXA异种移植瘤模型,使用BALB/c小鼠构建CT26和CT26-OXA同种移植瘤模型。5.3 分子生物学与生物化学技术
RNA测序与生物信息学分析:对DLC13处理组与对照组、以及耐药与敏感细胞进行转录组测序,通过GO、KEGG、Reactome和GSEA等分析,确定差异表达基因富集的通路。
实时定量PCR:验证RNA-seq结果,检测DNA修复、细胞周期、干性和迁移相关基因的表达。
蛋白质印迹:检测蛋白表达水平。
免疫共沉淀:研究蛋白间相互作用,特别是DLC13处理后PCNA与p21、Cdt1、Cdt2、Rad18的结合情况,以及PCNA的K48连接多聚泛素化水平。
细胞热位移分析:在细胞水平验证DLC13与PCNA的直接结合。
分子对接:模拟DLC13与PCNA的结合模式,预测潜在结合位点。
Pull-down实验:利用DLC13-P1和DLC13-P2探针,结合链霉亲和素磁珠,富集并鉴定DLC13的直接靶蛋白。5.4 细胞功能实验
MTT法:检测细胞活力,计算半数抑制浓度和联合用药指数。
克隆形成实验:评估细胞增殖能力。
流式细胞术:检测细胞凋亡(Annexin V/PI双染)和细胞周期(PI染色)。
彗星实验:检测DNA损伤。
成球实验:评估肿瘤干细胞自我更新能力。
Transwell实验:检测细胞迁移和侵袭能力。
免疫荧光:检测γH2AX(DNA损伤标志物)和CD44(干细胞标志物)的表达。5.5 组织学与毒理学
免疫组化:检测肿瘤组织中Ki-67(增殖标志物)的表达。
H&E染色:评估主要脏器的组织病理学变化,评价药物安全性。
急性毒性实验:在ICR小鼠中评估DLC13的急性毒性。6. 结果部分详细研究内容6.1 DLC13在体内外高效抑制结直肠癌增殖
体外:DLC13对HCT116和HT29细胞的IC50值分别为0.26 μM和0.84 μM,抑制效果分别是冬凌草甲素的4.8倍和11.5倍。DLC13显著抑制克隆形成,并诱导细胞凋亡,0.125 μM DLC13诱导的凋亡率与3.0 μM冬凌草甲素相当。
体内:在HCT116异种移植瘤模型中,10 mg/kg的DLC13抑瘤效果与20 mg/kg的冬凌草甲素相当(肿瘤体积抑制率46.57% vs. 48.36%)。免疫组化显示DLC13显著降低Ki-67表达。DLC13表现出良好的安全性,对小鼠体重和主要脏器无明显影响,急性毒性实验显示80 mg/kg剂量下小鼠生存状态良好。6.2 DLC13通过调控DNA修复、细胞周期、干性和迁移抑制结直肠癌
RNA-seq揭示核心调控通路:DLC13处理后,差异表达基因主要富集在DNA复制、DNA损伤修复、细胞周期、干细胞增殖和上皮-间质转化等通路。DLC13显著下调了与DNA修复(PCNA、BRCA1、RAD51等)、细胞周期(CDK1、CCNB1等)、干性(CD44、SOX2等)和EMT(VIM、SNAIL等) 相关的基因。
功能验证:
DNA损伤:彗星实验和γH2AX免疫荧光证实,DLC13显著诱导DNA损伤。
细胞周期:流式细胞术显示,DLC13将细胞阻滞在G2/M期。
干性:成球实验和CD44免疫荧光显示,DLC13显著抑制肿瘤干细胞特性。
迁移/侵袭:Transwell实验证实,DLC13显著抑制细胞迁移和侵袭。6.3 奥沙利铂耐药细胞通过增强DNA修复、细胞周期、干性和迁移获得生存优势
成功构建耐药模型:HCT116-OXA细胞的奥沙利铂IC50值从3.0 μM升至24.7 μM,耐药指数为8.23。耐药细胞中ABCB1、ABCC2、ABCG2表达显著上调。
转录组揭示耐药特征:与敏感细胞相比,HCT116-OXA细胞中DNA修复(PCNA、BRCA1、RAD51等)、细胞周期(CDK1、CCNB1等)、干性(CD44等)和EMT(VIM、SNAIL等) 相关基因表达异常升高。CT26-OXA耐药移植瘤模型也验证了相似的结果。6.4 DLC13与奥沙利铂协同增效,并逆转奥沙利铂耐药
协同作用:DLC13与奥沙利铂联合用药(1:0.5比例)在HCT116和HT29细胞中表现出协同效应(CI < 0.5),显著增强了对细胞增殖的抑制、克隆形成的抑制和凋亡的诱导。
逆转耐药:在HCT116-OXA细胞中,DLC13与奥沙利铂联合使用,显著增强了对耐药细胞增殖的抑制和凋亡的诱导。DLC13能下调耐药细胞中ABCB1等外排泵的表达,并逆转奥沙利铂诱导的DNA修复基因(如BRCA1)和细胞周期基因(如CDK1)的上调。
体内验证:在HCT116-OXA异种移植瘤和CT26-OXA同种移植瘤模型中,DLC13与奥沙利铂联合治疗显著抑制了耐药肿瘤的生长,其效果优于单药治疗。6.5 DLC13直接靶向PCNA,结合于其QSMDSSH序列
靶点鉴定:通过ABPP策略,利用DLC13-P2探针在HCT116细胞裂解液中富集并鉴定出PCNA是DLC13的直接靶蛋白。
结合验证:Pull-down和细胞热位移分析证实,DLC13能直接与PCNA结合,并增强其热稳定性。竞争实验表明,未标记的DLC13能竞争性抑制探针与PCNA的结合。
结合位点:分子对接预测DLC13结合于PCNA的34-44位氨基酸残基(QSMDSSH)。构建该序列突变的PCNA(LAVAAAA)后,DLC13-P2探针无法与之结合,证明QSMDSSH是DLC13与PCNA结合的关键序列。6.6 DLC13诱导PCNA的K48连接多聚泛素化及蛋白酶体降解
降解机制:MG132(蛋白酶体抑制剂)能显著阻断DLC13诱导的PCNA蛋白水平下降,表明DLC13通过蛋白酶体途径促进PCNA降解。
泛素化类型:免疫共沉淀显示,DLC13处理显著增加了PCNA的K48连接多聚泛素化水平,而不影响Rad18介导的Lys164位点单泛素化。
相关蛋白结合:DLC13处理促进了PCNA与p21、Cdt1和Cdt2的结合,这些蛋白是CRL4(Cdt2)E3泛素连接酶复合物介导PCNA降解的关键调控因子。DLC13未影响PCNA与Rad18的结合。6.7 PCNA是DLC13克服奥沙利铂耐药的关键靶点
PCNA在耐药中高表达:Western blot证实,PCNA在HCT116-OXA细胞和CT26-OXA肿瘤组织中高表达。
PCNA的功能重要性:
PCNA敲低:显著抑制了耐药细胞的克隆形成、诱导了DNA损伤、降低了CD44表达、抑制了迁移和侵袭,并下调了DNA修复、细胞周期、干性和EMT相关基因的表达。同时,PCNA敲低增加了耐药细胞对奥沙利铂的敏感性。
PCNA过表达:显著逆转了DLC13对耐药细胞克隆形成和凋亡的抑制作用,并上调了RAD51、CDK1、CD44、SNAIL、VIM等蛋白,同时下调了CDH1。
核心结论:PCNA是DLC13发挥抗肿瘤和逆转奥沙利铂耐药功能的关键靶点。DLC13通过促进PCNA的K48连接多聚泛素化和蛋白酶体降解,抑制了PCNA介导的DNA修复、细胞周期进程、干性和迁移,从而抑制结直肠癌恶性进展并逆转耐药。7. 研究创新性
首次发现PCNA是冬凌草甲素衍生物DLC13的直接作用靶点。通过ABPP技术,精确识别了DLC13与PCNA的结合序列(QSMDSSH),为靶向PCNA的药物研发提供了新的化学工具和理论依据。
首次阐明DLC13调控PCNA的分子机制。揭示了DLC13通过促进PCNA的K48连接多聚泛素化,而非影响其单泛素化,来诱导其蛋白酶体途径降解。这一机制与传统的Rad18介导的PCNA单泛素化功能不同。
系统验证了靶向PCNA克服奥沙利铂耐药的潜力。不仅在细胞和动物水平证实DLC13与奥沙利铂联用可协同增效、逆转耐药,而且通过基因敲低和过表达实验,严谨地证明了PCNA是DLC13发挥上述功能的关键执行者。
拓展了对PCNA生物学功能的认识。该研究揭示了PCNA不仅参与DNA复制和修复,还在调控肿瘤干细胞特性和EMT中发挥重要作用,并介导了化疗耐药。
提供了结构优化的成功范例。通过选择性移除羟基,显著改善了冬凌草甲素的药代动力学特性,为天然产物的结构修饰提供了有益借鉴。8. 全文总结与未来研究潜力与启示8.1 全文总结
本研究系统性地揭示了冬凌草甲素衍生物DLC13作为一种新型PCNA靶向抑制剂,在抑制结直肠癌恶性进展和克服奥沙利铂耐药中的重要作用。主要发现如下:
DLC13通过促进PCNA的K48连接多聚泛素化和蛋白酶体降解,下调PCNA蛋白水平。
PCNA的降解进而抑制了DNA损伤修复、阻滞细胞周期于G2/M期、降低肿瘤细胞干性和抑制EMT。
在奥沙利铂耐药细胞中,DLC13能够逆转耐药细胞中异常激活的DNA修复、细胞周期、干性和迁移通路,并与奥沙利铂产生协同抗肿瘤作用。
研究通过ABPP技术、分子对接、突变实验等多种手段,确定了DLC13与PCNA的QSMDSSH序列直接结合,为该靶点的药物开发提供了新的化学探针。
总之,该研究首次将PCNA确立为冬凌草甲素衍生物的直接功能靶点,并系统阐明了其通过诱导PCNA降解来克服奥沙利铂耐药的分子机制,为结直肠癌治疗提供了新的潜在靶点和候选药物。8.2 未来研究潜力与启示
PCNA作为抗癌靶点的潜力:PCNA长期以来被认为是一个“难以成药”的靶点,因其参与多种细胞过程且缺乏典型的小分子结合口袋。本研究证明,通过诱导PCNA降解而非直接抑制其功能,是一种可行的靶向策略。未来可基于DLC13的结构,设计更高效、更具选择性的PCNA降解剂,如蛋白水解靶向嵌合体。
联合治疗策略的拓展:DLC13与奥沙利铂的协同作用提示,PCNA靶向降解剂可与多种DNA损伤性化疗药物联合应用,用于治疗对铂类药物耐药的多种癌症,如卵巢癌、肺癌等。
解决更多耐药类型:鉴于PCNA在多种化疗耐药机制中的核心地位,DLC13或其衍生物可能对其他类型化疗药物(如5-氟尿嘧啶、伊立替康)的耐药也具有逆转作用,值得进一步探索。
深入探索PCNA的非经典功能:该研究发现PCNA与干细胞特性和EMT相关,提示PCNA可能通过非DNA复制相关机制调控肿瘤细胞行为。未来应深入研究PCNA在这些过程中的具体信号通路。
临床转化潜力:DLC13具有良好的生物利用度和安全性,且与奥沙利铂联用效果显著,具有很高的临床转化潜力。未来需要开展更全面的药代动力学-药效动力学关系研究、制剂优化和临床前毒理学评价,为进入临床试验奠定基础。9. 相关研究进展补充
PCNA靶向药物研发的进展:近年来,靶向PCNA的药物研发取得了一些进展。例如,小分子抑制剂AOH1160和AOH1996被报道可以选择性杀伤多种癌细胞,其机制可能与干扰PCNA与DNA聚合酶的相互作用有关。然而,这些化合物的确切靶点和作用机制仍在深入研究中。本研究的发现为PCNA靶向提供了降解剂这一新思路,与传统的功能抑制剂形成互补。
冬凌草甲素衍生物的研究:除了DLC13,其他冬凌草甲素衍生物也在抗肿瘤领域展现出潜力。例如,CYD0618被证实通过共价修饰STAT3发挥抗肿瘤作用;CYD-6-28通过激活死亡受体5抑制三阴性乳腺癌。这些研究共同表明,对冬凌草甲素进行结构修饰,可以获得靶向不同关键蛋白的新型抗肿瘤药物。
铂类药物耐药机制的新见解:除了经典的DNA修复增强和药物外排增加外,近年来研究发现,肿瘤代谢重编程、肿瘤微环境中的细胞外囊泡、以及表观遗传修饰等也参与了奥沙利铂耐药的形成。本研究揭示的PCNA介导的细胞干性和EMT增强,补充了耐药机制的网络,为克服耐药提供了更全面的视角。
天然产物在克服肿瘤耐药中的作用:天然产物因其多靶点特性,在克服复杂的肿瘤耐药方面具有独特优势。除了冬凌草甲素,其他如姜黄素、白藜芦醇、小檗碱等也被广泛研究其逆转化疗耐药的潜力,其作用机制涉及调控NF-κB、STAT3、PI3K/AKT等多种信号通路。本研究是天然产物通过靶向特定蛋白(PCNA)克服耐药的又一成功范例。
参考文献:
Oridonin derivative DLC13 targeting proliferating cell nuclear antigen to overcome oxaliplatin resistance in colorectal cancer.