长春应化所JACS: 手性配合物在根除CSCs方面显示出明显的对映体选择性

【引言】

肿瘤干细胞（CSCs）是肿瘤中一种具有自我更新能力并能产生异质性肿瘤细胞的细胞，它同癌症复发、转移及抗药性等存在密切关系。传统的治疗方法，如化疗和放疗有等虽然可以效地消除大部分癌细胞，但由于特定的耐药机制，无法消除CSCs。 存活的CSCs可以分化和再生新的肿瘤细胞，导致肿瘤复发和转移。

为了提高患者的存活率，治疗手段必须能够保证消除癌细胞的整个群体，特别是CSC。 虽然许多针对多种激酶，某些细胞器和脆弱微环境的潜在抗CSC药剂已被确定，但它们通常会引起严重的副作用。 因此，迫切需要寻找更有效的靶点来发现对正常体细胞影响很小的新型抗CSC化合物。

端粒已经引起了抗癌治疗的高度重视，因为端粒的维持是癌细胞不朽所必需的。 端粒是染色体末端的不同核苷酸序列，其保护染色体结构完整性免于降解，非法重组和融合。研究显示，端粒酶在CSCs和大多数类型的癌细胞中高表达，但在正常体细胞中不表达。有趣的是，已经证实CSC比端粒酶抑制剂更敏感]。因此，靶向端粒酶和端粒代表了一种有希望的抗癌治疗策略，其能够优先消耗CSCs而对正常细胞影响很小。

本文报道了手性配合物靶向端粒酶根除CSCs的相关研究。

【成果简介】

近日，中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚研究员（通讯作者）在Journal of the American Chemical Society上发表了题为“Metallo-supramolecular Complexes Enantioselectively Eradicate Cancer Stem Cells in Vivo”的研究论文。文中就目前根除肿瘤干细胞的困难，提出了一种利用手性配合物靶向端粒酶来根除CSCs的新方法。研究发现，靶向端粒G四链体的锌指手性金属蛋白的一个对映异构体[Ni₂L₃]⁴⁺-P，可以优先减少乳腺癌CSCs的生长。相反，它的对映体[Ni₂L₃]^{4 +}-M对两个CSCs和癌细胞都没有影响。进一步的研究表明，[Ni₂L₃]⁴⁺-P可以抑制CSC的性质，诱导乳腺癌细胞的凋亡。[Ni₂L₃]⁴⁺-P，而不是[Ni₂L₃]⁴⁺-M具有减少体内乳腺癌CSCs再生的能力。

【图文导读】

图1：NiP，但不是NiM，抑制乳腺癌CSC中的端粒酶活性

（A）由Hoogsteen氢键连接的鸟嘌呤残基的G四联体；

（B）[Ni₂L₃] ⁴⁺阳离子的M-对映体和P-对映体的结构；

（C）选择性识别人端粒G4 DNA的NiP的代表性图示；

（D，F） 在MDA-MB-231和MCF-7微球体中由NiP介导的端粒酶活性的抑制；将微球暴露于不同浓度的NiP和NiM 7天，然后用等量蛋白质进行标准TRAP测定；

（E，G）端粒酶活性的量化作为没有处理NiP和NiM的对照样品的百分数。 结果显示为平均值±SD。

图2：NiP，但不是NiM，消除了乳腺癌CSC

（A）降低NiP在MDA-MB-231和MCF-7单层细胞中诱导的乳房CSC比例。用NiP或NiM（5.12μM）处理MDA-MB-231和MCF-7细胞，或用2'-O-MeRNA和TRF2ΔBΔM转染3周，然后将5000个细胞在CSC培养基中培养7天以形成球形微球。微球形成是通过显微镜检查确定的，比例尺=100μm；

（B，C）细胞培养液内微球的定量；

（D，E）乳腺癌CSCs连续传代中NiP诱导的微球形成抑制。将MDA-MB-231和MCF-7细胞的二次微球与NiP或NiM一起温育，并且每7天一次传代培养3周。微球形成是通过显微镜检查确定的，比例尺等于100μm；

（F，G）MDA-MB-231和MCF-7细胞在超低附着板或贴壁单层培养基中培养，并用NiP或NiM（5.12μM）处理21天。在指定的时间测定细胞活力，结果显示为三个独立实验的平均值±SD。 ** P <0.01。

图3： NiP诱导端粒DNA损伤和细胞凋亡

（A）合并的53BP1（绿色）/ TRF1（红色）或γ-H2AX（绿色）/ TRF1（红色）的代表性共焦图像。 用NiP和NiM（5.12μM）处理MDA-MB-231微球体，或用2'-OMeRNA和TRF2ΔBΔM转染2周，然后用针对53BP1（绿色）/ TRF1（红色）或γ -H2AX（绿色）/ TRF1（红色）和DAPI（蓝色）。 比例尺等于5微米；

（B）在NiP或NiM（5.12μM）或2'-O-MeRNA和TRF2ΔBΔM转染3的MCF-7和MDA-MB-231微球体中，通过Annexin V-FITC / PI双染色检测细胞凋亡周。

图4： NiP诱导hTERT从细胞核转移至细胞质并抑制乳房CSC性质

（A）用NiP和NiM（5.12μM）处理或用2'-O-MeRNA和TRF2ΔBΔM转染的MDA-MB-231球形微球中的hTERT的亚细胞定位通过用针对hTERT的抗体染色来分析；

（B）用NiP和NiM处理2周的MDA-MB-231微球体中CSC标记物（Aldh1，Oct4，Lin28a，Klf4，Nanog和Bmi1）的表达的qRTPCR分析， ** P <0.01；

（C）通过流式细胞术测量在用NiP和NiM温育的MDA-MB-231球微球体中的CD44 + / CD24- /低细胞的比例；

（D）用NiP和NiM处理2周的MDA-MB-231微球体中hTERT表达的Western印迹测定，通过β-肌动蛋白评估等同的蛋白质加载。

图5： NiP在体内抑制乳腺癌CSCs的肿瘤起始能力

（A）解剖肿瘤的照片。 MDA-MB-231细胞皮下注射，小鼠用NiP或NiM每天一次，治疗4周；

（B）NiP或NiM处理后荷瘤小鼠的肿瘤生长曲线；

（C）从用NiP或NiM处理的肿瘤组织分离的细胞的大气层形成；

（D）细胞培养液内微球的定量。 ** P <0.01。

图6：乳腺癌CSCs中NiP诱导的端粒酶活性抑制，端粒DNA损伤，乳腺CSC性质降低，细胞凋亡和肿瘤发生抑制的示意图

假定端粒DNA循环回形成T环结构，其中3'突出端插入双链区以形成可稳定T环的D环结构，在DNA复制期间，可以通过端粒酶获得和延伸3'突出端。 然而，在NiP而不是NiM的存在下，富含G的端粒链自组装成G4结构，导致端粒伸长阻滞，G-四联体的持久性导致端粒解聚，端粒DNA损伤，3'-突出端降解和细胞凋亡。 同时，NiP介导的细胞应激可以诱导hTERT从核转位到细胞质，导致乳腺CSC性状的抑制， 由NiP引起的乳腺CSC性状丧失和细胞凋亡的诱导导致体内肿瘤起始的根除。

【小结】

本文首次报道了手性配合物在根除CSCs方面显示出明显的对映体选择性，提出了利用端粒DNA的手性识别来设计能够消除CSCs的抗癌剂的有效方式，实验证实了手性金属镍的一种对映体NiP而不是NiM与乳腺癌细胞相比，具有主要降低乳腺癌细胞活性的能力，对正常细胞影响不大，为癌症治疗研究提供了新思路。

文献链接：Metallo-supramolecular Complexes Enantioselectively Eradicate Cancer Stem Cells in Vivo. ( J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b07490）

本文由材料人编辑部生物材料组Jing供稿，材料牛编辑整理。

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