責編 | 酶美
磷酸二酯酶（PDE）家族成員廣泛地分布在哺乳動物各種組織中，其經典功能是通過磷酸二酯酶活性水解細胞內廣泛存在的第二信使cAMP和cGMP成相應的一磷酸鹽，在信號轉導過程中發揮重要功能。PDE超家族包含至少11個成員（PDE1~11），每個成員包括1~4個基因，每個基因由於mRNA轉錄起始位點或者拼接方式不一致又編碼不同的蛋白亞型，導致在哺乳動物細胞中至少有100多個不同的PDE蛋白。由於PDE家庭成員數目多，組成複雜，在不同的細胞或者亞細胞水平分布，因此對不同的細胞功能具有選擇性調控。
PDE蛋白的小分子抑制劑開發長時間以來是學術界和工業界的熱門研究內容。其中，最為有名的是1998年批准的Sildenafil以及隨後上市的Vardenafil和Tadalafil，這些抑制劑通過抑制PDE5而用於治療勃起功能障礙，在全世界獲得巨大成功。現今幾乎所有的PDE抑制劑都用於抑制催化活性域中的cAMP/cGMP結合位點。但是由於PDE蛋白家族成員酶活性功能域的高度同源性，導致抑制劑選擇性差，造成早期PDE抑制劑研究並不順利，甚至帶來多重副作用。
PDE3家族包含PDE3A和PDE3B兩個成員。PDE3A主要在心臟、平滑肌、血小板、胃腸道、胰腺、子宮內膜、輸卵管、卵巢和腎臟中表達。PDE3A缺失的小鼠能正常存活，也能排出正常數目的卵細胞，但是卵細胞由於不能完成減數分裂，停留在生發泡期，導致雌性不育。PDE3的抑制劑能影響肌肉收縮和血管舒張，用於心臟病的治療，例如Quazinone用於急性心臟病的治療，Milrinone, Amrinone 和 Levosimendan用來治療充血性心臟衰竭。此外，PDE3/PDE4的抑制劑Zardaverine有擴張支氣管的效果，用於哮喘的治療；Cilostazol用來治療間歇性跛行和血栓。雖然PDE3抑制劑能夠用於多種疾病的改善，但是長期抑制PDE3的活性被證明可能會引起心臟病人猝死，影響女性卵細胞成熟等風險。
1999年，研究發現Cilostazol抑制了結腸癌細胞的移動，具有抗腫瘤轉移的潛力，這是早期關於PDE3抑制劑有潛力用於癌症治療的記載。2001年，Taku等人發現PDE3的抑制劑能夠抑制下頜下腺腫瘤細胞HSG細胞的增殖。雖然並不清楚其抑制機理，但是作者提出PDE3抑制劑可以用於癌症治療的觀點。2006年，一項面向靶點已知的小分子進行的基於表型的篩選，找到多個PDE3的抑制劑誘導HeLa細胞凋亡。
2014年，一項針對PDE3/4的抑制劑Zardaverine抗肝癌細胞HCC活性研究首次提出Zardaverine誘導的細胞凋亡與PDE3/4酶活性的抑制並沒有關係，因為PDE3的抑制劑Trequinsin和PDE4的抑制劑Ralipram能夠降低PDE的活性增加細胞內cAMP的水平但是並不能殺死HCC細胞。2016年，研究發現一個細胞毒性小分子DNMDP造成細胞凋亡與PDE3A的表達成正相關，並驗證了DNMDP能直接結合PDE3A，促進PDE3A與SLFN12的結合，誘導細胞凋亡。
2019年，王曉東實驗室博士後李典鎔偶然發現人體內包括雌激素（E2）在內的一類小分子在高於生理作用濃度時能夠誘導多種癌細胞凋亡（Molecular Cell | 王曉東團隊發現雌激素誘導細胞凋亡的分子學機制及其生理學意義）。博士後艾有為通過遺傳學篩選發現E2誘導的細胞凋亡依賴於PDE3A/SLFN12的表達，並且發現E2通過直接結合PDE3A來誘導PDE3A-SLFN12的結合。隨後李典鎔博士等揭示PDE3A-SLFN12誘導細胞凋亡的機理。NIBS齊湘兵課題組在協助艾有為博士進行雌激素小分子化合物結構優化的過程中，介紹其課題組正在研究一類烏檀屬生物鹼小分子，發現這些小分子也能誘導癌細胞凋亡。
烏檀屬類生物鹼是從Nauclea subdita樹皮中分離的一類複雜的多環吲哚生物鹼。由於結構複雜分離效率很低，對於這一類生物鹼的生物活性研究一直受限制。2016年，華東師範大學高栓虎課題組發展了一種分子內exo-氫胺化串聯內醯胺化反應，無需過渡金屬活化，在溫和的條件下，以優秀的區域選擇性構築吡咯並吡啶酮和吡啶並吡啶酮等雜環。此反應通過共軛效應對炔烴產生極化作用，有效驅動了串聯反應的發生，並控制了反應的區域選擇性。
基於此串聯反應，通過靈活改變碳鏈長度，環狀結構類型，完成了包括：喜樹鹼、22-hydroxyacuminate、oxypalmine、norketoyobyrine、nauclefine、naucleficine等喜樹鹼類，烏檀屬和原小檗類生物鹼合成，及35個類似物的多樣性製備【1】。為了探索這些小分子化合物的生物學功能和價值，高栓虎課題組與齊湘兵課題組合作發現這類吲哚生物鹼小分子化合物對多種癌細胞具有殺傷效應，並在系統地解析這一類生物鹼的結構和活性關係基礎上，對這一類化合物進行了細緻的構效關係優化。最後發現其中的Nauclefine小分子誘導細胞死亡只需要幾個nM，但是其誘導細胞死亡的生化機理並不清楚。
近日，王曉東實驗室艾有為通過與高栓虎課題組和齊湘兵課題組等多個課題組展開合作，在Nature Communications發表題為An alkaloid initiates phosphodiesterase 3A–schlafen 12 dependent apoptosis without affecting the phosphodiesterase activity的研究。該發現揭示了nauclefine介導細胞凋亡的機理。
本研究通過對靶點已知的小分子庫進行篩選，發現多個PDE3抑制劑能夠完全抑制Nauclefine誘導的細胞死亡，提示PDE3蛋白可能參與Nauclefine誘導的細胞死亡過程。通過遺傳學敲除PDE3A或者其結合蛋白SLFN12的細胞，發現Nauclefine與上述報導的多個小分子化合物一樣，通過PDE3A-SLFN12依賴的方式誘導細胞凋亡，並且在小鼠成瘤模型中抑制了腫瘤的生長。通過pull down結合LC-MS/MS質譜鑑定的方法，驗證了Nauclefine與PDE3A的結合，但是與已知的PDE3A酶活性抑制劑DNMDP結合模式並不完全一樣。
於是作者繼續探索了Nauclefine能否抑制PDE3A的磷酸二酯酶活性。體外酶活性實驗結果表明Nauclefine並不能抑制PDE3A對cAMP的水解，表明這是一個全新的小分子化合物，能夠結合PDE3A，誘導PDE3A-SLFN12的結合，但是並不抑制PDE3A的酶活性。因此，這項研究表明Nauclefine代表一類全新的小分子化合物，這類小分子化合物有潛力用於癌症治療，並且能避免由於抑制PDE酶活性帶來的多重副作用。
先前的研究表明發展小分子化合物誘導PDE3A與SLFN12相互作用成為一種新型的抗癌治療方式。高表達PDE3A與SLFN12是篩選有潛力用此方式進行治療的癌症病人的分子標誌物。但是，由於PDE抑制劑特異性差，並且長期抑制PDE3的酶活性可能會帶來心臟病人猝死，抑制女性生育，降低血小板樹數目等副作用的風險。因此，本研究提示發展類似於Nauclefine得不抑制PDE3酶活性、但是誘導PDE3A與SLFN12相互作用、進而引起癌細胞凋亡的小分子化合物成為新的抗癌藥物研發方向。