第 30 卷第 11 期 2018 年 11 月 DOI: /j.cbls/ 文章编号 : (2018) 生命科学 Chinese Bulletin of Life Sciences Vol. 30, No. 11 Nov., 201

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1 第 30 卷第 11 期 2018 年 11 月 DOI: /j.cbls/ 文章编号 : (2018) 生命科学 Chinese Bulletin of Life Sciences Vol. 30, No. 11 Nov., 2018 苏氨酰 -trna 合成酶的功能及其在药物开发中的应用陈云 1,2, 周小龙 1 *, 王恩多 1,2,3 * (1 中国科学院生物化学与细胞生物学研究所, 分子细胞科学卓越创新中心 / 分子生物学国家重点实验室, 上海 ;2 中国科学院大学, 北京 ;3 上海科技大学, 上海 ) 摘要 : 苏氨酰 -trna 合成酶 (ThrRS) 的经典功能是负责合成苏氨酰 -trna (Thr-tRNA Thr ), 后者被延伸因子转运到核糖体上参与蛋白质合成随着生命体的不断进化,ThrRS 不断获得蛋白质合成之外的新功能, 统称为非经典功能, 多与细胞存活和营养压力有关, 对于真核生物细胞稳态至关重要基于看家蛋白质的重要地位,ThrRS 基因突变会导致严重的功能异常, 对生命体的正常生命活动造成严重的损伤 ; 同时, ThrRS 也成为疾病治疗的有效靶点关于 ThrRS 抑制剂的研究也在不断进行, 尽管广谱抑制剂疏螺旋体素 (borrelidin) 抑制效果明显, 但较大的细胞毒性导致其临床应用受到限制开发新一代有效的低毒性抑制剂成为现阶段研究者们致力完成的目标关键词 : 苏氨酰 -trna 合成酶 ; 经典功能 ; 非经典功能 ; 疾病治疗 ; 疏螺旋体素 ; 低毒性抑制剂中图分类号 :Q71 文献标志码 :A The functions of threonyl-trna synthetase and its application in drug development CHEN Yun 1,2, ZHOU Xiao-Long 1 *, WANG En-Duo 1,2,3 * (1 State Key Laboratory of Molecular Biology, CAS Center for Excellence in Molecular Cell Science, Shanghai Institute of Biochemistry and Cell Biology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai , China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing , China; 3 ShanghaiTech University, Shanghai , China) Abstract: The canonical function of threonyl-trna synthetase (ThrRS) is ligating Thr to its cognate trna to produce Thr-tRNA Thr, which would be subsequently involved into ribosome for protein translation. In the evolutionary process of organisms, ThrRS has acquired new functions, which are essential for cellular homeostatic and mainly related to cellular survival and nutritional stress responses. Because ThrRS is a housekeeping protein, abnormal physiological responses would happen to the ThrRS mutants, and their life activities would be severely disturbed. On the other hand, targeting ThrRS becomes an effective treatment method, and researches on ThrRS inhibitors are also ongoing. Despite the significant inhibition activity, the cytotoxicity of the best-known ThrRS inhibitor borrelidin to normal epithelial cell makes the biggest barrier to its clinical application. Developing an efficient substitute with less toxicity to borrelidin is getting more and more important. Key words: threonyl-trna synthetase; canonical functions; noncanonical functions; treatment; borrelidin; inhibitor with less toxicity 氨基酰 -trna 合成酶 (aars) 是一类古老的酶类, 其经典功能是催化氨基酸连接到对应的转运 RNA (trna) 上, 为蛋白质合成提供原料 aars 在生物进化中相对保守, 在各界生物细胞中均有分布收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ) * 通信作者 : edwang@sibcb.ac.cn ( 王恩多 );xlzhou@sibcb.ac.cn ( 周小龙 )

2 第 11 期陈云, 等 : 苏氨酰 -trna 合成酶的功能及其在药物开发中的应用 1237 在大多数物种中,aaRS 家族包含 20 个成员, 分别对应 20 种氨基酸, 按活性中心的结构和氨基酰化的位置,20 种 aars 分为两大类 :I 型和 II 型 aars [1-2] 绝大多数 aars (17 种 ) 以氨基酸活化与 trna 氨基酰化两步反应催化生成氨基酰 -trna 为维持由 mrna 到蛋白质翻译的精确性, 某些 aars 具备一整套完整的编校机制来纠正在氨基酸活化及氨基酰化反应中的错误, 以清除误活化的氨基酸或者误氨基酰化的 trna 不同种属的同一种 aars 结构不尽相同, 但通常根据结构和对应的功能, 可以将其高级结构分为合成编校和 trna 结合结构域高等生物 aars 还会进化出延伸或插入结构域 (extension/ insertion domain) [3] 各结构域负责对应的功能, 而彼此之间相互联系相互协作, 以保证氨基酰 -trna 的正常供应蛋白质正常合成和细胞的正常活动延伸结构域的出现使 aars 的功能也有了相应的扩展, 一些非氨基酰化的功能不断被报道, 氨基酰化之外的其他功能统称为 aars 的非经典功能 [1] 本综述用氨基酸的英文三字符后缀 RS 代表相应的 aars 作为 aars 家族的一员, 苏氨酰 -trna 合成酶 (ThrRS) 负责合成 Thr-tRNA Thr, 属于 II 类 aars 根据氨基酸序列的组成, 真核生物 ThrRS 通常由 N- 末端延伸结构域 ( 功能未知 ) N1 结构域 ( 调控编校反应 ) N2 编校结构域合成结构域及 C- 末端 trna 结合结构域组成 ( 图 1) [4] aars 催化 trna 氨基酰化的重要性也使 ThrRS 在生命活动中具有不可或缺的地位,ThrRS 经典功能受损会导致严重的蛋白质合成异常继而导致细胞活动异常, 在人体中则会引发各种疾病除经典功能外,ThrRS 还具有许多非经典功能例如, 真核生物 ThrRS 具有促血管生成活性, 在卵巢瘤形成过程中促进血管生成 [5] ; 斑马鱼 ThrRS 突变使胚胎血管图式发育异常, 导致胚胎死亡 [6] ; 在免疫系统紊乱患者体内,ThrRS 会被自身免疫系统当作靶点进行免疫反应, 造成严重的生理疾病 [7] ; ThrRS 调控黏液素 (mucin) 蛋白质家族 MUC1 的表达和细胞重定位, 促进新生瘤细胞的形成肿瘤存活血管生成和肿瘤转移 [8] ThrRS 功能的多样性为其作为疾病治疗靶点提供了依据目前发现最有效的 ThrRS 抑制剂是一种链霉菌属产生的大环内酯类抗生素疏螺旋体素 (borrelidin, BN), 但由于 BN 有较高的细胞毒性, 找到一种低毒的替代物成为当务之急经过生物工程改造的 BN 衍生物 BC194 有潜力解决这一难题 [9] 另外, 通过对化合物库的筛选发现化合物 ZINC 对 ThrRS 的抑制效果高于 BN [10] 新型药物的发现为研究通过抑制 ThrRS 达到疾病治疗提供更多的药物分子选择本文简要总结近期对 ThrRS 经典和非经典功能的研究, 及其作为靶点开发药物的研究, 以便研究者全面追踪最新的研究动态 1 ThrRS 的经典功能 1.1 ThrRS 各结构域在经典功能中的作用通常,ThrRS 由合成结构域 trna 结合结构域 N1 结构域和 N2 结构域组成合成结构域负责 Thr 的识别 Thr 的活化和催化 Thr 的羧基与 trna 3'- 末端腺苷酸的核糖 3'- 羟基之间的酯化反应, 生成 Thr-tRNA Thr ;trna 结合结构域准确识别 trna 三级结构的特定核苷酸和倒 L 型结构的拐肘区结合 trna [11] N2 结构域负责编校误氨基酰化产物 SertRNA Thr, 具有完整 N2 结构域的 ThrRS, 如大肠杆菌 ThrRS 酵母胞质 ThrRS 和人线粒体 ThrRS 都有编校活性, 而缺失 N2 结构域的酵母线粒体 ThrRS EcThrRS: 大肠杆菌 ThrRS;ScThrRS: 酵母 ThrRS;hThrRS: 人胞质 ThrRS;MmThrRS: 运动型支原体 ThrRS;McThrRS: 山羊支原体 ThrRS;McThrRS N2 结构域中的星号代表进化中不保守位点图 1 不同种属 ThrRS 结构域组成简图

3 1238 生命科学第 30 卷则没有编校活性 [12-13] ; 丝状支原体 ThrRS 尽管具备完整的 N2 结构域, 但其 N2 结构域中编校活性中心的关键氨基酸残基不保守, 也不具有编校活性 [4] N1 结构域位于 N2 结构域序列之前, 可以与 N2 结构域相互作用, 共同调控编校活性 ; 但没有 N1 结构域的运动型支原体 ThrRS 仍有转移后编校活性 [4], 因此,N1 结构域对于维持编校活性并不是必需的此外, 高等生物 ThrRS 在其 N- 端进化出延伸结构域, 序列预测提示这段结构域结构松散柔性较高, 其结构和功能的关系有待进一步研究 1.2 ThrRS 经典功能异常造成的影响 [14] 植物细胞内的 aars 研究相对较少植物细胞中, 叶绿体的形成和发育依赖一套复杂的遗传机制 2017 年,Zhang 等 [15] 研究发现水稻 ThrRS 基因的一种突变, 其对应 ThrRS 的 His406 突变成 Glu Gly407 缺失, 导致植株叶绿素缺乏, 形成致死的白化苗生理学和超微结构学分析发现, 白化苗的叶绿素荧光变弱, 叶绿素含量极少, 类囊体膜发育缺陷在发育中的叶绿体内,NEP ( 核编码的 RNA 聚合酶 ) 来源的基因转录本聚集,PEP ( 质体编码的 RNA 聚合酶 ) 来源的转录本减少, 说明 PEP 活性受损, 叶绿体编码的蛋白质含量明显减少叶绿体 rrna (16S 和 23S rrna) 因为合成和成熟过程受损而被滞留, 核糖体系统构建异常, 抑制了蛋白质转录和翻译因此,ThrRS 不仅通过稳定 NEP 和 PEP 基因表达保证叶绿体的正常发育, 还对蛋白质合成和核糖体系统的构建至关重要通过构建酿酒酵母 ThrRS 基因, 随机突变文库筛查 ThrRS 氨基酰化活性至关重要的氨基酸位点, 鉴定到 12 个致死或生长缺陷突变株, 这些突变位点通过影响氨基酸活化氨基酰化编校反应或酶的稳定性, 进而影响 ThrRS 的经典功能 Ruan 等 [16] 研究发现, 这些关键位点的突变同样损伤人 ThrRS 的功能, 为解释人 ThrRS 基因突变导致的相关疾病提供了新的视角由人核基因 TARS2 编码的线粒体 ThrRS 负责线粒体中 Thr-tRNA Thr 的合成人线粒体 ThrRS 的 Pro282 突变成 Leu 导致蛋白质结构改变, 进而影响氨基酸活化 trna 氨基酰化和编校活性, 造成线粒体脑肌病 [16-17] 1.3 基于 ThrRS 经典功能的应用蛋白质合成机器是抗感染过程最佳的药物靶点, 如常用的抗疟疾化合物脱氧土霉素能够抑制疟原虫核糖体功能然而,aaRS 作为药物靶点的研究还比较少目前临床应用最好的抗 aars 药物是莫匹罗星 ( 中文别名 : 假单胞菌酸百多邦, 由葛兰素史克生产 ), 这种抗菌药选择性地抑制细菌 IleRS 而不影响人类同源物, 对人没有毒性 [18] AN2690 则是以 LeuRS 编校活性中心为靶点的药物, 用来治疗灰指甲 [19] 虽然抗 aars 药物的抗菌活性很早就被研究者发现, 但是, 其在抗疟疾方面的应用最近才被发掘通过对各种 aars 抑制剂进行抗链状疟原虫效果筛选发现,ThrRS 抑制剂 borrelidin 具有突出的抗疟疾效果 [20] 因此,ThrRS 作为蛋白质合成机器的一员可以成为治疗疟疾有效的药物靶点大量抗菌类药物治疗疟疾的作用靶点是顶质体, 它是疟原虫细胞内一个来源于细菌的细胞器然而, 由于疟原虫不断进化出各种抗药性, 使已有抗疟疾药物的疗效明显降低 [20] 研究人员利用抗药性疟原虫菌株作为实验对象, 研究抗疟疾药物 borrelidin 的抗性原理当培养液中存在过量的天然氨基酸 L-threonin 时,borrelidin 的抗疟疾活性受到了明显的抑制, 因此, 说明 borrelidin 通过抑制 ThrRS 的经典功能抑制疟原虫的感染 2 ThrRS 的非经典功能 2.1 ThrRS 具有翻译调控作用在不良环境下, 低等生物 ThrRS 识别并结合其自身 mrna 模拟成的 trna 三叶草结构, 通过阻断 mrna 翻译和影响蛋白质合成控制细胞中 ThrRS 的含量, 进而调控细胞代谢以提高生命体对逆境的抵抗能力 [21] 2.2 ThrRS 作为自免疫疾病的抗体造成严重的免疫疾病抗 aars 综合征 (ASS) 最早在 1990 年被发现, 临床表现各不相同, 主要的特征包括发烧肌炎多发性关节炎肺间质疾病 (ILD) 机械技工手 ( 手掌皮肤硬化干裂 ) 雷诺综合征皮疹戈登丘疹手掌和指关节损伤等近年来 ASS 被鉴定为自身免疫性肌肉炎症的重要起因对患者群体的研究发现,20%~25% 的 PM ( 多肌炎 ) 或 DM ( 皮肌炎 ) 确诊患者体内携带有某种 aars 抗体 [7] 大多数情况下, 带有 aars 抗体的 PM/DM 患者同时还伴有 ILD, 临床表现为呼吸困难, 呼吸咳嗽短促是导致发病和死亡的最主要的因素 [22] 自身免疫抗体抗 PL-7 是针对抗原 ThrRS 产生

4 第 11 期陈云, 等 : 苏氨酰 -trna 合成酶的功能及其在药物开发中的应用 1239 的相对于其他 ASS, 抗 PL-7 引起的肌肉疾病相对温和, 但多数患者患有 ILD, 同时还伴有 PM/ DM 系统性细胞壁硬化, 涉及多器官病变 [7,22-24] 对特定自身免疫抗体的检测有助于 ASS 的早期诊断和治疗目前有针对八种 aars 的自身免疫抗体, 研究最好的 HisRS 抗体 ( 抗 Jo-1) 已经被用于 ASS 的诊疗中由于抗体直接攻击 aars, 诊治需要多种手段方法并用抗 PL-7 型自身免疫病主要跟 ILD 相关联, 对于肌肉炎症的影响较小因此, 检测 ThrRS 抗体可以更准确地预测 ILD 的发生和发展同时,ThrRS 也是目前对抗 PL-7 型自身免疫病治疗的有效靶点 [7] 2.3 ThrRS 具有促血管生成活性目前研究报道,TyrRS TrpRS ThrRS SerRS 和 Glu-ProRS 等 5 种 aars 及 1 个相关蛋白质因子 (AIMPI/p43) 在血管生成过程中发挥作用不同 aars 作用机理不同, 对内皮细胞存活增殖和迁移的影响也不同 SerRS 和 Glu-ProRS 在胞内通过调节重要血管生成因子的转录和翻译水平, 从而调控血管生成 ; 而 ThrRS 及其他 aars 则通过细胞分泌的方式介导细胞间信号传递, 参与血管生成以下仅介绍 ThrRS 介导的血管生成 [14] 体外表达系统获得的重组 ThrRS 能够通过胞外作用方式激活血管生成 [25], 说明 ThrRS 与 TyrRS 和 TrpRS 类似, 先被分泌到细胞外, 在特定的刺激下与细胞表面的受体分子相互作用, 通过自分泌信号通路调控血管生成 [14] 当用条件培养基培养内皮细胞时, 检测到培养液中含有少量的 ThrRS ; 接着用促血管生成因子 TNF-α 和 VEGF 处理细胞, 培养基中 ThrRS 含量显著升高, 说明 ThrRS 在血管生成过程中被诱导分泌, 在自分泌信号通路中发挥功能另外,TNF-α 处理会刺激 SKOV-3 卵巢癌细胞分泌 ThrRS, 说明肿瘤微环境中有一个旁分泌信号网络 ThrRS 对内皮细胞增殖并没有促进作用 [5] 综上所述,ThrRS 通过胞外作用调控血管的迁移, 但其分泌途径至今仍不清楚 [14] [6] 2016 年,Cao 等研究发现, 斑马鱼 cq16 突变基因编码错义突变的 ThrRS, 上调 VEGFA 的表达量, 导致胚胎节间血管 (ISV) 在受精 50 h 后随着受精时间的延长出现不正常分支, 导致血管紊乱, 使主动脉弓血管出现严重的扩张, 脑血管网络异常分支, 最终导致胚胎死亡这一现象跟 SerRS 突变体造成的血管异常类似, 但 cq16 中 ISV 异常分支比 SerRS 突变体早 10 h SerRS 通过拮抗 c-myc 调节转录进而调控正常的血管发育, 而 ThrRS 是通过调控 VEGFA 表达调控血管发育卵巢癌是妇科癌症的头号杀手, 在女性致死癌症中排第五, 尽管目前药物能控制肿瘤迁移率, 而卵巢癌细胞周围的动态微环境会促进血管生成和降低免疫应答, 再加上早期诊断的不确定性, 导致卵巢癌的预后效果非常差目前血检标志物 CA-125 对于绝经前期妇女不适用, 而且并没有提高预后存活率卵巢癌是高密度血管生成的肿瘤, 癌症形成过程与血管生成信号分子, 如低氧诱导因子 HIF-1α 和血管内皮生长因子 VEGF 的表达密切相关 [5] 通过对卵巢癌患者基因表达数据分析, 发现与正常组织相比, 癌症组织细胞中 ThrRS 表达量过高, 而其他 aars 表达量正常, 同时,ThrRS 与 VEGF 有很好的共定位 [5] 另外, 在肿瘤组织浸润型白血球细胞中,ThrRS 表达量较高, 而 VEGF 与免疫细胞之间的关联并不明显因此, 说明在卵巢癌发展进程中,ThrRS 同时在免疫细胞中发挥功能 [5] 当细胞受到 TNF-α 信号刺激或低氧压力时,ThrRS 会被分泌到卵巢癌细胞外应答细胞压力信号经检测, 卵巢癌个体血液中 ThrRS 含量与癌组织中 ThrRS 含量的关联度较高, 与肿瘤发展的时期并没有很强的关系, 血液中 ThrRS 的检测为肿瘤诊断提供方便途径, 但仍需进一步研究确定 2.4 ThrRS 通过合成 MUC1 调控胰腺癌的发生发展胰腺癌是人类疾病中最具有攻击性的癌症之一早期诊断和有效治疗策略的缺乏是导致胰腺癌患者高死亡率的重要原因由于胰腺癌的高转移活性, 术后患者的预后也很糟糕, 迫切需要新的治疗方法 [8] 附膜蛋白 MUC1 是一种异源二聚体多聚糖蛋白, 属于黏液素 (mucin) 蛋白家族, 序列中含高丰度 Thr 残基, 在许多人类癌症包括胰腺癌中异常高表达,MUC1 的胞质尾区 (MUC1-CT) 介导与肿瘤细胞存活及迁移相关的胞内信号通路 [8] 在恶性肿瘤细胞中,MUC1 过量表达并重新定位于整个细胞膜, 便于新生瘤细胞的形成肿瘤存活血管生成和肿瘤转移 Pyzer 等 [8] 研究表明,mucin 的合成会受到饮食中 Thr 供给的影响 Thr 缺乏会降低 MUC1 蛋白质 ( 非 mrna) 的含量, 抑制 MUC1 过表达的胰腺癌细胞迁移 ThrRS 特异地调控 MUC1 的生物合成, 而不影响细胞整体蛋白质表达水平 ; 同时,ThrRS 抑制剂会降低 MUC1 的蛋白质含量, 并抑制 MUC1 过表达的胰腺癌细胞迁移不同于蛋白质翻译抑制剂放线菌酮 (cycloheximide, CHX) 对

1240 生命科学第 30 卷全细胞蛋白质表达的整体抑制,Thr 缺乏抑制 MUC1 表达量具有明显的时间依赖性 [8] 生物信息学统计结果显示, 胰腺癌患者的低存活率与 ThrRS 和 MUC1 的共表达密切相关, 说明 ThrRS 能够调控 MUC1 介导的肿瘤细胞迁移, 为 ThrRS 作为胰腺癌治疗药物靶点的研究带来希望同时也说明, 细胞既可以通过调控 ThrRS 基因的表达,

5 1240 生命科学第 30 卷全细胞蛋白质表达的整体抑制,Thr 缺乏抑制 MUC1 表达量具有明显的时间依赖性 [8] 生物信息学统计结果显示, 胰腺癌患者的低存活率与 ThrRS 和 MUC1 的共表达密切相关, 说明 ThrRS 能够调控 MUC1 介导的肿瘤细胞迁移, 为 ThrRS 作为胰腺癌治疗药物靶点的研究带来希望同时也说明, 细胞既可以通过调控 ThrRS 基因的表达, 也可以通过调控 ThrRS 的活性来调控 mucin 的生物合成, 并且不影响整个细胞的蛋白质合成 3 ThrRS 抑制剂的研究和应用 [8] 3.1 经典抑制剂疏螺旋体素 borrelidin Borrelidin (BN) 是一种链霉菌属产生的天然聚酮类抗细菌抗真菌化合物 [14], 在许多生物体中具有多种生物功能, 如抗细菌抗真菌抗疟疾杀虫和除草 2013 年以来, 研究发现,BN 能够抑制血管内皮细胞生长因子诱导的血管生成 ( 图 2) [25-27] ; 而这些功能来自于同一个靶点 ThrRS 起初研究认为 BN 通过阻断氨基酸活化来抑制 ThrRS 的活性, 而最新研究指出 ( 图 3),BN 能够结合 ThrRS 酶的活性中心口袋的大部分空间, 不仅阻断氨基酸与 a:thrrs 在蛋白质合成中产生 Thr-tRNA Thr 为翻译提供原料 ;b 和 c 分别为低氧和炎症细胞分泌的细胞因子通过受体级联反应作用于 ThrRS;d:ThrRS 在信号刺激下被分泌到细胞外 ;e f 和 g:thrrs 作为细胞因子作用于本细胞或其他细胞 ;h:thrrs 经典抑制剂 BN 和新型抑制剂 BC194 和 ND ( 新型药物, 化合物 ZINC ) 图 2 内皮细胞 ThrRS 功能示意图 a:bn ( 橘色 ) 占据 ThrRS 催化活性中心结构截面图 ;b:ecthrrs- L- Thr 结构 ( 蓝色,PDB:1EVK) 和 ThrRS-BN 结构叠加图中的 L-Thr 结合口袋,hThrRS 和 EcThrRS 中对应氨基酸残基序号分别标出 ;c: 金黄色酿脓葡萄球菌 ThrRS-ATP 结构 ( 红色,PDB: 1NYR) 和 ThrRS-BN 结构叠加图中的 ATP 结合口袋 ;d:ecthrrs-trna Thr 结构 ( 黄色,PDB:1QF6) 和 ThrRS-BN 结构叠加图中的 trna 结合口袋 ;e:thrrs-bn 结构中 BN 结合 ThrRS 的疏水口袋, 位于底物结合口袋之外 [27] 图 3 BN 竞争结合 ThrRS 酶学活性中心

第 11 期陈云, 等 : 苏氨酰 -trna 合成酶的功能及其在药物开发中的应用 1241 ThrRS 的结合, 而且物理上排斥 3 个底物 (Thr ATP trna Thr ) 与 ThrRS 的结合此外,BN 还结合 ThrRS 额外的第 4 个口袋尽管通过 ThrRS- 底物共晶结构并不能清楚地观察到第 4 个口袋, 但是, 这额外的正交结合强化了 BN 与 ThrRS 的亲和力,

6 第 11 期陈云, 等 : 苏氨酰 -trna 合成酶的功能及其在药物开发中的应用 1241 ThrRS 的结合, 而且物理上排斥 3 个底物 (Thr ATP trna Thr ) 与 ThrRS 的结合此外,BN 还结合 ThrRS 额外的第 4 个口袋尽管通过 ThrRS- 底物共晶结构并不能清楚地观察到第 4 个口袋, 但是, 这额外的正交结合强化了 BN 与 ThrRS 的亲和力, 进一步干扰了 ThrRS 的氨基酰化活性 3.2 BN 类似物 BC194 [27] BN 较强的细胞毒性以及其靶向其他蛋白质分子 ( 例如剪接体因子 FBP21) 的特性, 阻碍了其临床应用 BC194 是目前通过生物工程和半合成方法制备的 BN 类似物 [9] 通过克隆改造 BN 操纵子, 用一个环丁烷环代替 BN 外延的 C17 环戊烷环, 通过生物合成工程生产 BN 的天然变体 ( 图 4a 和 4b) 通过观察 BC194 和人含催化和反密码子结合区域的 ThrRS 片段的共结晶, 发现 BC194 通过范德华力和氢键结合于 ThrRS 活性中心从整体结构上看, BC194 和 BN 中, 负责结合 ThrRS 的位点保守结合方式非常相似,BC194 同 BN 一样能够稳定 ThrRS 的构象而 BC194 的 C17 环弱化了其与 ThrRS 催化必需的氨基酸残基之间的相互作用, 因而降低了它与 ThrRS 底物竞争结合的能力直接对比 BN 和 BC194 的细胞毒性发现, 不同的大环内酯引起氨基酸饥饿反应的不同导致两者的毒性差异,BC194 对内皮细胞的毒性降低约为 BN 的千分之一至百分之一因此,BC194 保留了有效的血管生成抑制活性, 可以代替 BN 抑制 ThrRS 的功能并具有较小的细胞毒性 [9] 3.3 化合物 ZINC 通过三维结构以及化合物结合结构模拟, 发现布鲁氏杆菌 ThrRS (BaThrRS) 结合 ATP 必需的氨基酸残基位点为 Arg372 Thr496 Glu374 Tyr476 Gln390 Phe388 Arg534 [10] 将 BaThrRS 做为靶点在化合物库中筛选药物, 找到 99 个结合 ThrRS 的新的化合物分子, 其中 7 个结合能力高于 BN, 抑 a 和 b 分别为 BN 及其类似物 BN194 的化学结构式, 两者的区别在于外延的 C17 碳环, 分别为环戊烷环和环丁烷环 ;c. BN ( 绿色 ) 及 ATP ( 蓝色 ) 结合 BaThrRS 结构模拟图, 结合位点序号标出 [10] [10] ;d: ZINC ( 绿色 ) 结合 BaThrRS 结构模拟图图 4 ThrRS 抑制剂结构式及与 ThrRS 结合结构模拟

7 1242 生命科学第 30 卷制 BaThrRS 效果最好的是 ZINC 在药物结合模型中, 该化合物被 ThrRS 的 22 个氨基酸残基包围, 因此, 结合能力较强, 同时,ZINC 与 BN 结合 ThrRS 位点相似 ( 图 4c 和 4d) [10] ThrRS 抑制剂的发现为研究治疗布鲁氏菌病提供了好的备选药物分子 4 小结与展望以上简要的综述使我们能够更加深入地了解 ThrRS 的经典与非经典功能, 为我们进一步研究 ThrRS 的生物功能及其作为药物开发疾病诊治靶点提供理论支撑同时, 有效的低毒性 ThrRS 抑制剂的筛选和机理研究也为人类健康带来福音, 为进一步寻找更有效的药物提供坚实的基础然而, 尽管高等生物 ThrRS 同时具有经典和非经典功能, 但其非经典功能与经典功能之间的联系目前还不清楚抑制剂 BN 对 ThrRS 的抑制作用通过竞争结合合成活性中心来抑制 ThrRS 的氨基酰化能力, 而 BN 对血管生成的抑制效果是否说明 ThrRS 的非经典功能与其经典功能相关联, 目前仍是个值得探讨的问题因此, 对 ThrRS 的研究还有待进一步深入 [ 参考文献 ] [1] Pang YL, Poruri K, Martinis SA. trna synthetase: trna aminoacylation and beyond. Wiley Interdiscip Rev RNA, 2014, 5: [2] Eriani G, Delarue M, Poch O, et al. Partition of trna synthetases into two classes based on mutually exclusive sets of sequence motifs. Nature, 1990, 347: [3] Guo M, Yang XL. Architecture and metamorphosis. Top Curr Chem, 2014, 344: [4] Zhou XL, Chen Y, Fang ZP, et al. Translational quality control by bacterial threonyl-trna synthetases. J Biol Chem, 2016, 291: [5] Wellman TL, Eckenstein M, Wong C, et al. ThreonyltRNA synthetase overexpression correlates with angiogenic markers and progression of human ovarian cancer. BMC Cancer, 2014, 14: [6] Cao Z, Wang H, Mao X, et al. Noncanonical function of threonyl-trna synthetase regulates vascular development in zebrafish. Biochem Biophys Res Commun, 2016, 473: [7] Cojocaru M, Cojocaru IM, Chicos B. New insights into antisynthetase syndrome. Maedica: Buchar, 2016, 11: [8] Pyzer AR, Stroopinsky D, Rosenblatt J, et al. MUC1 inhibition leads to decrease in PD-L1 levels via upregulation of mirnas. Leukemia, 2017, 31: [9] Mirando AC, Fang P, Williams TF, et al. Aminoacyl-tRNA synthetase dependent angiogenesis revealed by a bioengineered macrolide inhibitor. Sci Rep, 2015, 5: [10] Li M, Wen F, Zhao S, et al. Exploring the molecular basis for binding of inhibitors by threonyl-trna synthetase from brucella abortus: a virtual screening study. Int J Mol Sci, 2016, 17: [11] Tukalo M, Yaremchuk A, Fukunaga R, et al. The crystal structure of leucyl-trna synthetase complexed with trnaleu in the post-transfer-editing conformation. Nat Struct Mol Biol, 2005, 12: [12] Ling J, Peterson KM, Simonovic I, et al. Yeast mitochondrial threonyl-trna synthetase recognizes trna isoacceptors by distinct mechanisms and promotes CUN codon reassignment. Proc Natl Acad Sci USA, 2012, 109: [13] Zhou XL, Ruan ZR, Wang M, et al. A minimalist mitochondrial threonyl-trna synthetase exhibits trnaisoacceptor specificity during proofreading. Nucleic Acids Res, 2014, 42: [14] Mirando AC, Francklyn CS, Lounsbury KM. Regulation of angiogenesis by aminoacyl-trna synthetases. Int J Mol Sci, 2014, 15: [15] Zhang YY, Hao YY, Wang YH, et al. Lethal albinic seedling, encoding a threonyl-trna synthetase, is involved in development of plastid protein synthesis system in rice. Plant Cell Rep, 2017, 36: [16] Ruan ZR, Fang ZP, Ye Q, et al. Identification of lethal mutations in yeast threonyl-trna synthetase revealing critical residues in its human homolog. J Biol Chem, 2015, 290: [17] Wang Y, Zhou XL, Ruan ZR, et al. A human diseasecausing point mutation in mitochondrial threonyl-trna synthetase induces both structural and functional defects. J Biol Chem, 2016, 291: [18] Gilbart J, Perry CR, Slocombe B. High-level mupirocin resistance in Staphylococcus aureus: evidence for two distinct isoleucyl-trna synthetases. Antimicrob Agents Chemother, 1993, 37: 32-8 [19] Rock FL, Mao W, Yaremchuk A, et al. An antifungal agent inhibits an aminoacyl-trna synthetase by trapping trna in the editing site. Science, 2007, 316: [20] Novoa EM, Camacho N, Tor A, et al. Analogs of natural aminoacyl-trna synthetase inhibitors clear malaria in vivo. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111: E [21] Ryckelynck M, Giege R, Frugier M. trnas and trna mimics as cornerstones of aminoacyl-trna synthetase regulations. Biochimie, 2005, 87: [22] de la Varga R, Ramos H, Anez GA, et al. Anti-PL7 antisynthetase syndrome: a rare cause of autoimmunemediated interstitial lung disease. Allergol Immunopathol: Madr, 2015, 43: [23] Labirua-Iturburu A, Selva-O'Callaghan A, Vincze M, et al. Anti-PL-7 (anti-threonyl-trna synthetase) antisynthetase syndrome: clinical manifestations in a series of patients from a European multicenter study (EUMYONET) and review of the literature. Medicine: Baltimore, 2012, 91: [24] Hervier B, Uzunhan Y, Hachulla E, et al. Antisynthetase

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Microsoft Word - 360145.doc 项目批准号 81273814 归口管理部门申请代码收件日期 H2716 360145 y 国家自然科学基金委员会资助项目计划书资助类别 : 面上项目亚类说明 : 非连续资助类项目附注说明 : 项目名称 : 益气养肺法拮抗 bfgf 对肺癌微环境介导化疗