暨南大学马丽/陈填烽课题组JACS：硒原子极化效应诱导肿瘤靶点识别

化疗是临床上最常用的有效肿瘤治疗方案之一，却往往因药物选择性差、副作用大而影响其疗效，研发高选择性化疗药物，提高疗效同时减少副作用，在肿瘤治疗中意义重大。硫氧还蛋白还原酶（TrxR）是体内抗氧化体系的重要组成，在肿瘤细胞中高度过表达，用以维持肿瘤细胞的高速增殖，进一步促进恶性肿瘤生存。基于此，设计高选择性的TrxR抑制剂是实现肿瘤高效化疗的有效方法。然而，在已报道的TrxR抑制剂中，选择性始终是需要攻坚的难题。

该论文中，暨南大学马丽/陈填烽团队提出了一种新的策略：利用强极化特性硒原子，构筑硒原子亲电中心（-N-Se(δ⁺)-N-），通过强的非共价作用，与TrxR活性位点498位的硒代半胱氨酸（SeC）中残基（-Se^-）结合，从而避开生物体内大量性质相似、亲核性能更弱的巯基（-SH）干扰，实现TrxR高选择性抑制（图1）。相较于以往TrxR抑制剂的共价结合抑制策略（图1a），通过强非共价结合抑制策略（图1b），解决了TrxR抑制剂的选择性问题，有效的实现了TrxR选择性抑制和肿瘤高效杀伤。

图1. TrxR的选择性抑制剂设计图。（a）已报道TrxR抑制剂的共价结合抑制模式；（b）硒原子亲电中心的强非共价结合抑制模式；（c）本工作中的金属药物；（d）所设计金属药物的极化性质计算结果。

该论文中，作者采用PhenSe作为含硒模型配体来构建金属药物Ru1Se（图1c），计算证明，相较于不含硒的同构Ru1C对照金属药物，其极化特性明显更强（图1d）。实验证明，Ru1Se在细胞裂解液和细胞中表现出优异的TrxR抑制效果（图2a和b），且对细胞质中TrxR1的抑制强于对线粒体中TrxR2的抑制（图2c）。同时没有引起TrxR1和TrxR2相关mRNA水平和蛋白表达的明显变化（图2d和2e）。这进一步表明，Ru1Se对TrxR的抑制是对TrxR蛋白的选择性抑制，而不是通过抑制TrxR蛋白的表达。

图2. 含硒金属药物对TrxR的抑制作用。(a) Ru1Se和Ru1C对细胞裂解液中TrxR的抑制。(b) 不同浓度的Ru1Se和Ru1C对细胞中TrxR的抑制。(c) Ru1Se和Ru1C对肿瘤细胞中总TrxR、TrxR1和TrxR2的抑制。 (d) qPCR 检测Ru1Se和Ru1C对肿瘤细胞中TrxR1及TrxR2的mRNA表达。(e) Western Blot 检测Ru1Se和 Ru1C对肿瘤细胞中TrxR1和TrxR2蛋白表达的影响。

为了进一步探索Ru1Se对TrxR选择性抑制的本质，作者采用分子对接和分子动力学模拟了Ru1Se、Ru1C和TrxR的作用行为。通过计算发现，蛋白质TrxR存在12个可结合的位点，并进行了一一的对接验证。发现Ru1C有六个可对接的结合位点，Ru1Se除了这六个之外，多出一个结合最强的位点（图3a），位于TrxR蛋白的活性中心，与活性中心中的SeC有强的氢键作用（图3b）。Ru1C更倾向于与位点4结合，而Ru1Se更倾向于与位点7结合（图3c）。实验同时证明，Ru1Se能更好的抑制TrxR，且对TrxR的不含SeC的同源蛋白GR没有明显的抑制作用（图3d）。这也证明了Ru1Se选择性地抑制TrxR的主要原因是构建的Se亲电中心可以选择性地作用于TrxR活性中心的SeC残基。 此外，表面等离子体共振（SPR）结合分析（图3e，3f）结果显示，Ru1Se与SeC有明显的强相互作用，但与Cys的相互作用相对较弱，而Ru1C与SeC和Cys都没有明显的相互作用。这些结果表明，Ru1Se与TrxR活性位点中SeC的具有强非共价作用，能选择性的抑制TrxR。

图3. Ru1Se对TrxR的抑制作用的机制研究。(a) 分子对接研究Ru1Se与蛋白质TrxR所有可结合位点及结合情况。(b) Ru1Se与蛋白质TrxR活性中心（位点7）的结合情况。(Se原子为黄橙色球）。(c) Ru1Se和蛋白质TrxR中七个可结合位点的结合自由能（MM-PBSA，单位：kcal/mol）。(d) 肿瘤细胞中，Ru1Se和Ru1C对TrxR以及谷胱甘肽还原酶（GR）的抑制效果。(e）表面等离子体共振（SPR）分析不同浓度的Ru1Se与SeC的相互作用强度。 f）SPR检测分析SeC和Cys与Ru1Se和Ru1C的相互作用。

总得来说，该论文为TrxR选择性抑制剂设计提供了一种新的策略，同时为高效低毒肿瘤化疗提供了新的可能。

该工作近期在线发表于J. Am. Chem. Soc.期刊上。暨南大学马丽/陈填烽为论文共同通讯作者，暨南大学博士研究生陈茗凯/曹文强/王军平为本文共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、 广东省珠江人才计划、广东省高校创新团队和王宽诚教育基金等的大力支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Selenium Atom-Polarization Effect Determines TrxR-Specific Recognition of Metallodrugs

Mingkai Chen, Wenqiang Cao, Junping Wang, Fei Cai, Liwen Zhu, Li Ma*, and Tianfeng Chen*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c08802

作者简介

陈填烽，暨南大学化学与材料学院副院长，教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才、万人计划青年拔尖人才、国家863青年科学家、霍英东青年教师。研究方向为硒纳米医学与肿瘤精准放射和免疫治疗。针对肿瘤特殊理化性质，采用多级靶向策略，构筑含硒纳米药物，对肿瘤实施精准靶向增敏放疗，同时对肿瘤定向免疫增强，实现肿瘤的精准放免治疗。在硒纳米药物设计、肿瘤靶向化疗、放射治疗与免疫治疗、脑卒中、脊髓损伤、动脉粥样硬化等方面的应用开展了系统的研究。相关研究成果发表在Matter; Sci. Adv.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Biomaterials等本领域IF>10期刊发表论文69篇，封面论文40篇，h-index 71，连续三年入选“中国高被引学者”榜单；2021、2022年入选全球顶尖10万科学家榜单。申报中国专利90项，授权国家发明专利23项，实现技术成果转化13项。以第一完成人获得2020年高等学校科学研究优秀成果奖技术发明二等奖、2020年中国抗癌协会科技二等奖、2018年中华医学科技奖青年科技奖、2018广东省自然科学二等奖等科技奖励。通过产学研合作构建了纳米硒GMP生产车间，在超过十家三家医院开展多中心临床研究。

马丽，暨南大学化学与材料学院副教授，博士生导师。广东省珠江人才计划青年拔尖人才、广州市珠江科技新星。研究方向为金属配合物在调控化学体系和生命体系氧化还原平衡中发挥的功能和作用机理。针对肿瘤特性，设计具有氧化还原响应活性的金属药物，研究其在肿瘤诊疗及体系内催化的活性和机理。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Biomaterials等本领域主流期刊。

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