STAT3抑制剂及其抗肿瘤活性研究进展-综述

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 mol L 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 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 15 mol L 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 图 1 磷酸肽 PpYLKTK 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 9 mol L 1 7 图 4 乙酰基 pYLKTKF 2 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 5 mol L 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 03 13 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 2 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 图 9 silibinin 图 10 12 靛玉红衍生物 E564 E728 和 E804 图 13 PGG 图 14 Phaeosphaeride A 3 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 mol L 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 10 11 12 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 3 257 260 2 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 cells J World J Gastroenterol 2008 14 3 428 434 3 Bromberg J F Wrzeszczynska M H Devgan G et al Stat3 as an oncogene J Cell 1999 98 3 295 303 4 Lim C P Cao X M Structure function and regulation of STAT proteins J Mol Biosyst 2006 2 11 536 550 5 Turkson J Ryan D Kim J S et al Phosphotyrosyl peptide block Stat3 mediated DNA binding activity gene regulation and cell transformation J J Biol Chem 2001 276 48 45443 45455 6 Ren Z Y Cabell L A Schaefer T S et al Identification of a high affinity phosphopeptide inhibitor of stat3 J Bioorg Med Chem Lett 2003 13 4 633 636 7 Chen J Nikolovska Coleska Z Yang C Y et al Design and 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 peptidomimetic inhibitors of signal transducer and activator of transcrip Progress in Pharmaceutical Sciencestion 3 dimerization and biological activity J Mol Cancer Ther 2004 3 3 261 269 9 Ling X Konopleva M Zeng Z et al The novel triterpenoid C 28 methyl ester of 2 cyano 3 12 dioxoolen 1 9 dien 28 oic acid inhibits metastatic murine breast tumor growth through inactivation of STAT3 signaling J Cancer Res 2007 67 9 4210 4218 10 Duan Z Ames R Y Ryan M et al CDDO Me a synthetic triterpenoid inhibits expression of IL 6 and Stat3 phosphorylation in multi drug resistant ovarian cancer cells J Cancer Chemother Pharmacol 2009 63 4 681 689 11 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 4293 12 Petronelli A Saulle E Pasquini L et al High sensitivity of ovarian cancer cells to the synthetic triterpenoid CDDOImidazolide J Cancer Lett 2009 282 2 214 228 13 Wang Y L Ma X Yan S et al 17 hydroxy jolkinolide B inhibits signal transducers and activators of transcription 3 signaling by covalently cross linking Janus kinases and induces apoptosis of human cancer cells J Cancer Res 2009 69 18 7302 7310 14 俞强 王颖 秦国伟 等 一种二萜内酯类化合物的用 途 中国 101829108 A P 2010 09 15 15 Lee Y K Isham C R Kaufman S H et al Flavopiridol disrupts STAT3 DNA interactions attenuates STAT3 directed transcription and combines with the Jak kinase inhibitor AG490 to achieve cytotoxic synergy J Mol Cancer Ther 2006 5 1 138 148 16 Agarwal C Tyagi A Kaur M et al Silibinin inhibits constitutive activation of Stat3 and causes caspase activation and apoptotic death of human prostate carcinoma DU145 cells J Carcinogenesis 2007 28 7 1463 1470 17 Song H Wang R Wang S et al A low molecular weight compound discovered through virtual database screening inhibits Stat3 function in breast cancer cells J Proc Natl Acad Sci USA 2005 102 13 4700 4705