STAT3抑制剂及其抗肿瘤活性研究进展 综述.doc

STAT3抑制剂及其抗肿瘤活性研究进展摘 要 信号转导与转录激活因子（STATs）是一类发挥信号转导和转录因子调节作用的蛋白质家族，它们可以作为信号转导分子和转录调节因子参与到细胞因子和生长因子对于正常细胞的调控作用中。STATs的异常激活，特别是STAT3激活，和多种人类恶性肿瘤相关联。信号转导和转录激活因3(STAT3)为细胞内重要的信号转导蛋白，与肿瘤的发生发展密切相关，抑制STAT3的过度的表达为治疗肿瘤的手段之一。分别从肽和拟肽类、天然产物类以及虚拟筛选技术发现的小分子这几个方面对目前已报道的STAT3抑制剂的抗肿瘤活性及其构效关系的研究进展进行综述。关键词 信号转导和转录激活因子3; 抗肿瘤活性;构效关系；展望前言信号转导和转录激活因子( signal transducer and activator of transcription，STAT) 家族为一类既具信号传导功能又有转录活化功能的胞浆蛋白，可与不同的细胞因子受体结合，并将胞外信号传递至细胞核内，从而引发相应靶基因的转录。作为STAT家族成员之一的 STAT3 因具有多种重要作用( 如可调节细胞生长、分化和程序性死亡以及血管形成等) 而备受研究人员关注。近来研究显示，在正常生理状态下，STAT3 蛋白的激活受到严格控制; 而在多种肿瘤( 如乳腺癌、 卵巢癌、 头颈部鳞状细胞癌、 前列腺癌、 恶性黑色素瘤、 多发性骨髓瘤、 淋巴瘤、 脑瘤、 非小细胞肺癌及各种白血病等) 的细胞中均可见该蛋白过度激活且呈高水平表达1。研究人员发现，利用RNA干扰技术，可抑制结肠癌细胞中 STAT3 的表达，促进结肠癌细胞凋亡。由此证实，人类 STAT3可作为癌症治疗的重要靶点2，原因是STAT3被激活后可产生免疫抑制作用，抑制STAT3的过度表达不仅能阻断肿瘤细胞的过度增殖，还可增强机体对肿瘤的免疫能力。 机制研究显示，STAT3为表皮生长因子受体( EGFR) 信号传导途径、由白介素-6(IL-6)介导的JAK-STAT3途径和由src基因介导的信号传导途径等多个致癌性酪氨酸激酶信号通路汇聚的“焦点”，其被激活后，可发生二聚化并易位到细胞核内，然后与靶基因 包括 bcl-xl、bcl- 2、cyclin D1、c-myc 和 mcl-1基因以及血管内皮生长因子(VEGF)、IL-10、IL-2和转化生长因子-(TGF-)等的基因启动子上的特定位点结合，从而调节靶基因的表达。 干扰素、白介素等细胞因子或 EGF R等生长因子与各自受体结合后可活化Janus激酶(Janus kinase,Jak)及信号转录因子与活化子(signal transducer and activator of transcription，STAT),STAT入核后参与基因转录,调控细胞增殖.分化、免疫调节等过程。 研究表明该通路在许多实体瘤和血癌中活动旺盛 , STAT3常因变异而组成性活化, 可通过促进原癌基因表达而诱导细胞增殖、血管生成和转移。与其他STAT成员结构相似，STAT3 可分为 6 个部分: N 端的氨基酸保守序列、螺旋区、DNA 结合域、连接区、Src 同源2( Src homology 2，SH2)结构域和 C 端的转录活化区3-4。STAT3 抑制剂的抗肿瘤机制主要包括: 1)抑制 STAT3-STAT3 二聚体的形成; 2) 抑制 STAT3 磷酸化; 3) 抑制 STAT3 与靶 DNA 在细胞核内的结合。目前研究较多的 STAT3 抑制剂按类别可分为肽和拟肽类、天然产物类以及通过计算机药物虚拟筛选技术发现的小分子， 本文就此分类综述STAT3抑制剂的抗肿瘤活性及其构效关系研究进展，旨在为相关抗肿瘤药物的研发提供参考。1 肽和拟肽类 STAT3 抑制剂该类 STAT3 抑制剂系STAT3、表皮生长因子受体(EGFR)或糖蛋白130(gp130) 上 705 位酪氨酸磷酸化产物( phosphotyrosine-705，pTry-705) 周围的氨基酸残基序列为模板而设计合成的磷酸肽， 其主要靶点为 STAT3 的 SH2 结构域。该类抑制剂可阻断STAT3与细胞因子受体或生长因子受体结合而阻止STAT3 的磷酸化、 二聚体化及核易位，还能抑制 STAT3 二聚体与 DNA 结合，防止凋亡抑制基因和细胞分裂基因的过度表达。2001 年，Turkson 等5在细胞核内发现了连接于 STAT3 蛋白 SH2 域、 由 6 个氨基酸构成的磷酸肽PpYLKTK( 图1，其中“P” 代表脯氨酸残基， “pY” 代表磷酸酪氨酸残基，“L” 代表亮氨酸残基，“K” 代表赖氨酸残基，“T”代表苏氨酸残基) ， 并将其提取出来进行活性研究。结果发现， 此肽能有效抑制 STAT3与 DNA 的结合( IC50 为 235 molL 1 ) 、并能抑制STAT3 的激活和转录活性，且还可阻断 Src 激酶诱导的 STAT3 依赖性成纤维细胞转化。进一步的研究发现，磷酸酪氨酸以及与其相邻的“Y + 1” 位亮氨酸残基和“Y- 1” 位的任意氨基酸残基所组成的部分，是此类肽分子具有 STAT3 抑制活性的必需肽单位。因此，该研究小组认为能抑制 STAT3 二聚体形成的最小肽分子应为型如 XpYL( “X” 为任意氨基酸残基) 的三肽，如 PpYL(图2) ，体外活性研究显示，其抑制 STAT3二聚体形成的 IC50为( 182 15) mol L 1。图1 磷酸肽PpYLKTK 图2 PpYL在STAT3信号转导过程中，STAT3蛋白上的磷酸酪氨酸残基不断地由 gp130、 白血病抑制因子受体(LIFR)、白介素10受体(IL-10R)和粒细胞集落刺激因子受体(G-CSFR)补给，且该补给以上述受体与STAT3蛋白上的SH2结构域结合为前提。而研究还发现， 这些受体蛋白上均有一相同序列-YXXQ( “Y”代表酪氨酸残基，“Q”代表谷氨酰胺残基)。由此，Ren 等6从gp130的磷酸化蛋白中发现了另一 STAT3 抑制剂 pYLPQTV( 图3，其中“V” 代表缬氨酸残基) ，该肽分子可有效抑制 STAT3 与 DNA 结合，IC50为0.15molL 1。图3 pYLPQTV此外，研究人员还以STAT3蛋白第705位磷酸酪氨酸残基周围的氨基酸残基序列为模板设计了另一种短肽乙酰基-pYLKTKF( 图4，其中“F”，代表苯丙氨酸残基)，发现其亦具有抑制STAT家族蛋白活性的作用，且研究显示，该短肽与STAT3SH2的亲和力较强，对STAT3的抑制常数K为25.9molL 17 。图4 乙酰基-pYLKTKF2 来源于天然产物的 STAT3 抑制剂尽管肽类和拟肽类化合物具有较高的生物活性，但由于此类抑制剂易在体内代谢失活，且生物利用度较低，因而成药性并不令人满意。近年来，非肽类 STAT3 抑制剂也备受研究人员关注，人们已从天然产物中获得了多种具有 STAT3 抑制活性的活性单体，且多为萜类和黄酮类等物质。STAT的天然抑制剂报道较多,如JSI-124(葫芦素I)可快速抑制STAT3组成性活化的肿瘤细胞增殖, 延长实验动物的生存时间8;对各种肿瘤有广泛作用的多靶点天然产物姜黄素、白黎芦醇表现出对STAT3的抑制活性;黄酮类化合物Flavopiridol能阻断STAT3与DNA的结合;去氧四角霉素则是通过虚拟库筛选得到的STAT3抑制剂, 此外环戊烯酮类化合物、靛玉红衍生物对STAT3也有一定的抑制活性。2.1 萜类具有STAT3抑制活性的萜类物质多为三萜和二萜，前者主要为齐墩果烷型三萜，后者主要是Jolkinolide 型二萜和丹参酮类二萜。 三萜类：主要介绍两种，第一种：齐墩果烷型三萜因具有抗炎、抗氧化和抗增殖等多种活性而成为药物设计研究的热点。在已知的几百个合成的齐墩果酸类三萜类化合物中，2-氰基-3，12-二氧代齐墩果烷-1，9( 11) -二烯-28-酸( CDDO，图5) 及其甲酯 CDDO-Me(图5) 已进入临床研究阶段，用于非白血性白血病和实体瘤的治疗; 此外，CDDO 的另一种衍生物 CDDO-IM(图6) 也具有良好的抗肿瘤活性。研究显示，CDDO-Me 能通过抑制STAT3信号的传导而抑制乳腺癌细胞的生长9还可通过抑制 IL-6 的表达和 STAT3 的磷酸化作用而杀死多重耐药的卵巢癌细胞10; CDDO-IM 则能抑制 STAT3 蛋白磷酸化，诱导细胞凋亡，导致骨髓瘤和肺癌细胞的凋亡11，并能抑制 STAT3 蛋白的激活，从而阻止卵巢癌细胞的生长12。图5 其中，R为H，图为为2-氰基-3，12-二氧代齐墩果烷-1，9( 11) -二烯-28-酸（CDDO）；R为CH3，图为2-氰基-3，12-二氧代齐墩果烷-1，9( 11) -二烯-28-酸的甲酯（CDDO-Me）图6 CDDO-IM另一种三萜类 STAT3 抑制剂为葫芦素( cucurbitacin) 类化合物，其在葫芦科植物中含量较高，具有细胞毒性和抗肿瘤活性。有文献报道，此类化合物能干扰 JAK /STAT 信号传导通路，尤其是能抑制STAT3 的信号传导，可作为抗肿瘤药物的先导化合物。二萜类：Jolkinolide 型二萜的基本结构为四环二萜，具有多种药理活性， 尤其是显著的抗肿瘤作用。经研究发现，17-羟基-Jolkinolide B( HJB，图7) 可通过与Janus激酶(JAK)共价交联而抑制 STAT3 的信号传导，从而诱导肿瘤细胞凋亡。体外抗肿瘤活性研究显示，其在5molL 1 浓度下对人肝癌 HepG2 细胞和人乳腺癌 MDA-MB-468 细胞的抑制率分别为 77.85%和 69.0313-14。图7 17-羟基-Jolkinolide （HJB)2. 2 黄酮类黄酮类化合物具有广泛的药理活性尤其是抗肿瘤活性，因而极具药用价值。文献 15-16 报道，黄酮类化合物 flavopiridol(图8) 和 silibinin(图9)均可抑制 STAT3 信号传导途径。图8 flavopiridol(图9 silibinin2.3 其他除萜类和黄酮类化合物外，近来国外文献还报道了其他一些对STAT3信号传导途径具有抑制活性的天然产物，如靛玉红衍生物 E564、E728和 E804（图10-12）、1，2，3，4，6-五-O-没 食 子 酰 基-D-葡 萄 糖( PGG，图13)和Phaeosphaeride A(图14)等等。101112 图10-12 靛玉红衍生物 E564、E728和 E804 图13 PGG图14 Phaeosphaeride A3 通过计算机药物虚拟筛选技术发现的 STAT3 抑制剂近来，研究人员通过计算机药物虚拟筛选技术发现了一些对 STAT3 信号传导途径有抑制活性的小分子化合物。Song 等17应用该项技术获得活性化合物STA- 21，其能与STAT3的 SH2结构域结合，并抑制STAT3蛋白与DNA结合及 STAT3 自身的二聚体化，从而阻断STAT3信号传导途径。体外活性研究显示， 与 浓 度 为 20 30 molL 1 的STA- 21共孵育 48 h，可使 STAT3 过度表达的乳腺癌细胞株 MDA-MB-435S、 MDA-MB-468 和231 发生凋亡。STA-21 抗肿瘤活性虽较高，但其合成较为困难，因此研究人员便以 STA- 21 为先导化合物进行改造，以寻求易合成且保持高活性的 STAT3小分子抑制剂。4 展望STAT3 几乎在所有的实体瘤和血液性肿瘤中均会过度激活，且其水平与肿瘤分化程度、浸润转移及预后密切相关，因此，其作为肿瘤治疗的新靶点受到越来越多的关注，如今已有大量关于 STAT3 抑制剂及其抗肿瘤活性的研究。当然，目前对 STAT3 抑制剂抗肿瘤作用的研究大多数还停留在体外活性初筛的水平，在动物体内进行的药理和毒理研究则较少，进入临床研究阶段的活性化合物更是寥寥无几。STAT3 抑制剂作为一类新型抗肿瘤药，其距离临床应用还有很长的路要走。参考文献1 唐古生，蔡建明，韩玲 STAT3 与肿瘤治疗J 实用肿瘤杂志，2004，19(3) : 257- 2602 Fan Y，Zhang Y L，Wu Y，et al Inhibition of signal transducer and activator of transcription 3 expression by RNA interference suppresses invasion through inducing anoikis in human colon cancer cellsJ World J Gastroenterol，2008，14(3) : 428-4343 Bromberg J F，Wrzeszczynska M H，Devgan G，et al Stat3 as an oncogeneJ Cell，1999，98(3) : 295- 3034 Lim C P，Cao X M Structure， function， and regulation of STAT proteinsJMol Biosyst，2006，2(11) : 536- 5505 Turkson J，Ryan D，Kim J S，et al Phosphotyrosyl peptideblock Stat3-mediated DNA binding activity， gene regulation，and cell transformationJ,J Biol Chem，2001，276(48) : 45443-454556 Ren Z Y，Cabell L A，Schaefer T S，et al Identification ofa high-affinity phosphopeptide inhibitor of stat3J Bioorg Med Chem Lett，2003，13(4) : 633-6367 Chen J， Nikolovska-Coleska Z， Yang C Y， et al Designand synthesis of a new，conformationally constrained，macrocyclic small-molecule inhibitor of STAT3 via click chemistry J Bioorg Med Chem Lett， 2007， 17 (14) :3939-3942 8 Turkson J， Kim J S， Zhang S，et al Novel peptidomimeticinhibitors of signal transducer and activator of transcrip-Progress in Pharmaceutical Sciencestion 3 dimerization andbiological activityJ Mol Cancer Ther，2004，3(3) : 261- 2699 Ling X，Konopleva M，Zeng Z，et al The novel triterpenoidC- 28 methyl ester of 2-cyano- 3， 12-dioxoolen- 1， 9-dien-28-oic acid inhibits metastatic murine breast tumor growththrough inactivation of STAT3 signaling J Cancer Res，2007，67( 9) : 4210-421810 Duan Z，Ames R Y，Ryan M，et al CDDO-Me， a synthetictriterpenoid， inhibits expression of IL-6 and Stat3phosphorylation in multi-drug resistant ovarian cancer cellsJ Cancer Chemother Pharmacol， 2009， 63 ( 4 ) :681-68911 Liby K，Voong N，Williams C R，et al The synthetic triterpenoid CDDO-Imidazolide suppresses STAT phosphorylation and induces apoptosis in myeloma and lung cancer cells J Clin Cancer Res， 2006， 12 ( 14 Pt 1 ) : 4288-429312 Petronelli A， Saulle E， Pasquini L， et al High sensitivity of ovarian cancer cells to the synthetic triterpenoid CDDOImidazolide J Cancer Lett，2009，282( 2) : 214- 22813 Wang Y L， Ma X， Yan S， et al 17-hydroxy-jolkinolide Binhibits signal transducers and activators of transcription 3signaling by covalently cross-linking Janus kinase