Cell揭示抗癌药物紫杉醇作用机制

来自加州大学伯克利分校的科学家们发现了处方药紫杉醇在细胞内的极微妙效应，正是这一效应使得它成为了世界上最广泛应用的抗癌药物之一。揭示出紫杉醇干扰细胞骨架组成部分——微管正常功能的一些细节，有可能帮助设计出更好的抗癌药物，或是改善紫杉醇或是其他已知破坏微管运作的药物。

　　

生物通报道  来自加州大学伯克利分校的科学家们发现了处方药紫杉醇在细胞内的极微妙效应，正是这一效应使得它成为了世界上最广泛应用的抗癌药物之一（延伸阅读：两篇Nature论文同期揭示紫杉醇耐受之谜 ）。

 

揭示出紫杉醇干扰细胞骨架组成部分——微管正常功能的一些细节，有可能帮助设计出更好的抗癌药物，或是改善紫杉醇或是其他已知破坏微管运作的药物。

 

这些研究结果发布在5月22日的《细胞》（Cell）杂志上。

 

论文的资深作者、加州大学伯克利分校分子与细胞生物学教授、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)资深科学家、生物物理学家Eva Nogales说：“朝着更好地了解这些化疗药物付诸努力非常的重要，因为癌细胞与正常细胞之间存在一些微管差异，或许我们可以利用到它们。我们现在还没有到达那种程度，这类分析是我们实现目标的必要条件。”

 

人们最初是从太平洋紫杉(Pacific Yew tree)的树皮中提取出紫杉醇。紫杉醇是最常用来对抗实体瘤的药物之一，是治疗卵巢癌和晚期乳腺癌的一线药物。已知这一药物可与微管结合，“冻结”住它们，在细胞分裂之时阻止它们分离染色体。这会导致分裂细胞，尤其是快速增殖的癌细胞死亡。

 

Nogales自上世纪90年代早期在英国做博士生时起就从事微管研究，她利用X射线散射和低温电子显微镜等技术来研究紫杉醇和其他抗癌药物对微管的影响。后来她在LBNL从事博士后研究工作期间，首先发现了紫杉醇结合微管聚合物基本构件——微管蛋白（tubulin）的确切位置。

 

微管是细胞的骨架

 

世界各地许多科学家们的研究工作已经表明了，细胞内部的微管网络——细胞骨架极其不同于坚硬的动物骨架。微管是一种管状蛋白多聚体结构，其不断地生长和收缩，通过这样来推拉细胞各处的物质，包括染色体。科学家们将这称之为动态不稳定性。微管还为将细胞器和其他包装物输送到细胞各处提供了一条高速公路。

 

微管蛋白是微管的基本结构元件，其最常见的成员是α-微管蛋白和β-微管蛋白，它们是组成微管的主要成分。一个微管蛋白元件堆叠在另一个之上形成条状带，条状带相互排列对齐，随后拉上拉链形成中空的微管。

 

Nogales说：“这种自组装为微管的骨架蛋白对于每个真核细胞的生命均至关重要，这就是它成为一些抗癌药物的主要靶标的原因。令人惊讶地是，微管是近乎随机地探测并尝试新事物，细胞构建出某种层次的控制机制，最终理清这种混乱，细胞生存下来并旺盛生长。”

 

通过不断地添加更多的微管蛋白（大约每秒钟20个微管蛋白分子），微管从其游离端每分钟生长1微米。但是如果停止生长，它们会像香蕉皮一样快速地剥落分解，释放出微管蛋白供其他的微管重复利用。Nogales说，这种解聚作用每分钟可达到15微米，即每秒钟脱落大约300个微管蛋白分子。

 

微管是像压紧的弹簧

 

Nogales现在发现了微管剥离如此迅速的原因。当它们组装时，微管蛋白条状带处于紧拉状态，通过末端不断生长的微管蛋白帽防止其弯曲和分离。一旦生长停止，微管蛋白帽消失，这种受限的张力会使微管分解。

 

当一种叫做GTP的小能量分子结合到微管蛋白复合物上，GTP水解转化为GDP之时便生成了这种张力。这种化学反应使得α和β亚基紧凑在一起，就像压紧的椎骨，只要微管的末端在生长，其确保了微管蛋白在张力下堆叠。

 

Nogales 说：“过去有人提出微管蛋白必定受到了束缚，但却没有人证明这一点。我们看到当发生GTP水解时，微管结构陷入一种紧张状态，像一个压紧的弹簧。末端亚基维持着整个过程。”

 

当生长停止时，张力被释放，条状带快速剥落分离。

 

哈佛大学系统生物学教授Tim Mitchison在同期的Cell杂志上评论称：“这是朝着解答一个长久以来的问题迈出的重要一步。”Mitchison曾率先证实了GTP水解在失稳定的微管中的重要作用。他补充说：“Nogales和其研究小组提出的模型让我们第一次看到了失稳定的机制。”

 

Nogales还发现，紫杉醇将自身插入到微管蛋白中，阻止了α和β亚基压紧，因此没有张力累积。因此，如果微管停止生长，它仍然是完整的，基本上冻住，不能解聚及完成正常的功能。

 

“紫杉醇逆转了GTP水解效应，”她说。

 

Nogales和她的研究小组通过超越低温电子显微镜的极限发现了这些结构改变。他们现在获得的分辨率可以看到小于5埃的细节。通过检测紫杉醇与/不与微管蛋白结合自然状态下冷冻的三维微管，比较结果清楚地显示了紫杉醇对于微管结构的影响。

 

（生物通：何嫱）

 

生物通推荐原文摘要：

 

High-Resolution Microtubule Structures Reveal the Structural Transitions in αβ-Tubulin upon GTP Hydrolysis

 

Dynamic instability, the stochastic switching between growth and shrinkage, is essential for microtubule function. This behavior is driven by GTP hydrolysis in the microtubule lattice and is inhibited by anticancer agents like Taxol. We provide insight into the mechanism of dynamic instability, based on high-resolution cryo-EM structures (4.7–5.6 Å) of dynamic microtubules and microtubules stabilized by GMPCPP or Taxol. We infer that hydrolysis leads to a compaction around the E-site nucleotide at longitudinal interfaces, as well as movement of the α-tubulin intermediate domain and H7 helix. Displacement of the C-terminal helices in both α- and β-tubulin subunits suggests an effect on interactions with binding partners that contact this region. Taxol inhibits most of these conformational changes, allosterically inducing a GMPCPP-like state. Lateral interactions are similar in all conditions we examined, suggesting that microtubule lattice stability is primarily modulated at longitudinal interfaces