來自實(shí)驗(yàn)室的抗癌良藥有望重獲新生
2013-05-16 08:46本刊編輯部
實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2013年2期
圖1 林雙君研究員
上世紀(jì)七、八十年代，曾被作為抗癌良藥的鏈黑菌素應(yīng)用于臨床試驗(yàn)，抗癌活性突出，但進(jìn)入二期臨床時(shí)，因其明顯的毒副作用，實(shí)驗(yàn)被迫終止。然而，科學(xué)家們卻從未停止研究，希望讓它重新煥發(fā)活力，與癌癥作斗爭(zhēng)，為癌癥患者帶來希望和福音。
上海交通大學(xué)微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室林雙君研究小組（圖1、2）對(duì)鏈黑菌素生物合成基因簇進(jìn)行基因解析，闡明了鏈黑菌素的非常復(fù)雜的生物合成途徑，實(shí)現(xiàn)了抗腫瘤抗生素鏈黑菌素及其類似物的高效生物合成。該研究成果已正式發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志 JACS，2013，135（5）》上。
抗癌良藥，揚(yáng)長(zhǎng)避短
圖2 林雙君團(tuán)隊(duì)人員
鏈黑菌素是由一株絨毛鏈霉菌所產(chǎn)生的抗腫瘤抗生素，它具有廣譜的抗腫瘤活性，特別是對(duì)惡性淋巴瘤、慢性淋巴細(xì)胞白血病和慢性粒細(xì)胞白血病具有較好的臨床療效，而被稱為抗癌良藥。通過它與DNA的結(jié)合，能夠干擾并抑制細(xì)胞DNA和依賴于DNA復(fù)制的RNA的合成，它能夠通過選擇性的作用在細(xì)胞DNA上，來誘導(dǎo)DNA的斷裂和降解，它還可以抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶II的活性。此外，鏈黑菌素還有強(qiáng)烈的抗病毒活性，能夠誘導(dǎo)溶源性細(xì)胞，并對(duì)多種細(xì)菌和真菌生長(zhǎng)具有抑制作用。
鏈黑菌素雖然活性突出，但又具有明顯的毒副作用。因此自鏈黑菌素被發(fā)現(xiàn)至今已有近60年，對(duì)它新穎的化學(xué)結(jié)構(gòu)和突出的生物學(xué)活性讓生物學(xué)、化學(xué)及藥物學(xué)家們的研究從未停止，一直在對(duì)它進(jìn)行深層次的化學(xué)生物學(xué)和合成研究，以期創(chuàng)造新結(jié)構(gòu)和新活性衍生物。林雙君解釋說，鏈黑菌素的特性有兩個(gè)：一是活性，二是毒性。它的活性是它與癌細(xì)胞作斗爭(zhēng)的利器;而毒性則是它的致命缺陷。通過對(duì)鏈黑菌素的生物合成研究，可以做到“揚(yáng)長(zhǎng)避短”。通過對(duì)基因的操作，產(chǎn)生突變菌株，實(shí)現(xiàn)改變其原來結(jié)構(gòu)，然后通過發(fā)酵條件優(yōu)化和合成途徑優(yōu)化，產(chǎn)生鏈黑菌素的類似物或中間體?！盎钚蕴岣?，毒性卻大幅降低，這為鏈黑菌素藥物的二次開發(fā)提供了新的機(jī)會(huì)?！?/p>
基因技術(shù)，發(fā)揮威力
基因組測(cè)序技術(shù)的迅猛發(fā)展為人們提供了巨大的基因資源庫，為生物合成機(jī)制的研究提供了更多的信息。以抗生素的主要產(chǎn)生菌鏈霉菌為例，單個(gè)菌株至少具有25～30種，甚至更多的次生代謝產(chǎn)物生物合成基因簇，然而在目前實(shí)驗(yàn)室條件下，所得的化合物種類卻少很多。這說明，在已分離的微生物資源中，由于受到培養(yǎng)條件制約而導(dǎo)致化合物產(chǎn)生受抑，或者基因簇自身就是沉默的，需要特定的調(diào)控因子和外界環(huán)境因子的誘導(dǎo)?；蚪M的挖掘技術(shù)Genome mining為人們找到更多的天然產(chǎn)物提供了可能。
圖3 鏈黑菌素的生物合成基因簇及推理的生物合成途徑
林雙君研究員帶領(lǐng)課題組首先克隆了這個(gè)潛在的抗生素基因簇，確定了其中的關(guān)鍵基因與鏈黑菌素生物合成的直接關(guān)系，并最終定位出鏈黑菌素的生物合成是由48個(gè)獨(dú)立基因編碼的。隨后，該課題組綜合利用微生物遺傳學(xué)、化學(xué)及生物化學(xué)技術(shù)和手段，獲得了其中17個(gè)基因的突變菌株，從中分離鑒定了12個(gè)與鏈黑菌素生物合成相關(guān)的化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，最終提出了鏈黑菌素生物的合成途徑的模型（圖3）。在這一過程中，多個(gè)新穎或關(guān)鍵的酶催化反應(yīng)的分子生物學(xué)機(jī)制也被揭示。該項(xiàng)研究為抗生素藥物新穎酶催化反應(yīng)基因的挖掘，并利用合成生物學(xué)等前沿生物技術(shù)創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)衍生物奠定了工作基礎(chǔ)。林雙君提到，這是首次在基因水平實(shí)現(xiàn)鏈黑菌素的生物合成途徑的解析?；瘜W(xué)家們也在致力于鏈黑菌素及其衍生物的合成，希望能夠找到應(yīng)用于臨床的新藥。目前，已有化學(xué)家通過化學(xué)合成的方法合成出鏈黑菌素類似物。與化學(xué)合成的方法不同，基因工程技術(shù)的好處在于，一方面，它可以通過操作基因來優(yōu)化和改造代謝途徑，使得到的類似物可能符合臨床應(yīng)用的要求，同時(shí)可以針對(duì)某一特定的化合物提高其產(chǎn)量，從而降低成本，并減少環(huán)境污染;另一方面，它可以挖掘新的生物化學(xué)反應(yīng)，對(duì)揭示自然界的生化現(xiàn)象和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的酶學(xué)反應(yīng)，具有重要的意義。林雙君課題組通過基因工程技術(shù)所獲得的一個(gè)鏈黑菌素類似物，不僅在抗癌活性上比目前臨床使用的抗癌藥物依托泊苷和替尼泊苷高很多，而且在毒性上比原始的鏈黑菌素降低了約5倍。因此，這個(gè)類似物在臨床應(yīng)用方面，對(duì)治療淋巴瘤、白血病、鼻咽癌等疾病將會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)。
降低成本，造?；颊?/h2>
對(duì)藥物來說，療效是重要的一方面，但藥價(jià)是老百姓更關(guān)心的。目前，鏈黑菌素標(biāo)準(zhǔn)品的價(jià)格非常昂貴，1 mg化合物需要約900元人民幣，而它的類似物要4 000元人民幣。很明顯，這對(duì)一般普通家庭來說，是個(gè)很大負(fù)擔(dān)。要降低用藥成本，一個(gè)可行的辦法就是提高產(chǎn)量，林雙君研究員提出通過基因工程手段來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提高。以前，這個(gè)有前景的類似物是由另一株鏈霉菌產(chǎn)生的，產(chǎn)量極低。然而，他們的研究成果目前可以達(dá)到約200 mg/L發(fā)酵液。這個(gè)產(chǎn)量比其原始產(chǎn)生菌要高出幾10倍，但還遠(yuǎn)沒有達(dá)到目標(biāo)。林雙君研究員制定了“兩步走”的目標(biāo)：一是繼續(xù)扎根基礎(chǔ)研究，通過分子遺傳學(xué)操作和蛋白功能重建，解析鏈黑菌素形成的酶學(xué)機(jī)理，同時(shí)獲得更多的鏈黑菌素類似物。二是預(yù)計(jì)在兩到三年內(nèi)，爭(zhēng)取使這個(gè)鏈黑菌素類似物產(chǎn)量提高到1 g/L或以上。林雙君研究員介紹說，現(xiàn)在美國(guó)加州一家藥業(yè)公司，已和他取得聯(lián)系，表達(dá)了合作開發(fā)的意向。提出只要將產(chǎn)量提高到可規(guī)模化生產(chǎn)，就有望通過抗體藥物偶聯(lián)方法將鏈黑菌素或類似物轉(zhuǎn)化為一個(gè)新型的抗癌藥物，這不僅極大提高化療有效性，同時(shí)減少化療時(shí)產(chǎn)生的毒副作用。相信在不久的將來，它將對(duì)臨床醫(yī)學(xué)產(chǎn)生重要影響，也將對(duì)抗癌藥物結(jié)構(gòu)和價(jià)格方面產(chǎn)生重要影響?！?/p>
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