质谱在金属抗癌药物与蛋白质相互作用研究中的应用

胡文兵,汪福意

(中国科学院化学研究所,北京分子科学国家实验室,北京 100190)

质谱在金属抗癌药物与蛋白质相互作用研究中的应用

胡文兵,汪福意

(中国科学院化学研究所,北京分子科学国家实验室,北京 100190)

研究细胞毒性金属抗肿瘤药物与蛋白质的相互作用,以及这种相互作用对药物的细胞摄入、转运、代谢和生物利用度的影响,对金属抗癌药物的结构设计和优化,提高药物的抗癌活性,降低毒副作用具有重要意义。基于软电离技术的电喷雾质谱和基质辅助激光解析电离质谱能够在分析检测过程中很好的保留金属抗癌药物与蛋白质的共价(配位)结合,获得药物与蛋白质结合位点的信息。同时,质谱分析还具有灵敏度高,所需样品量少,耗时短以及适用于分析复杂生物样品等优点,已成为研究金属抗癌药物与蛋白质相互作用最强有力的工具,在为药物发现提供大量化学、生物信息的同时,也极大地促进了质谱技术自身的发展。本文将结合我们在金属抗癌药物相互作用组学研究中取得的最新进展,系统地总结、评述Bottom-up和Top-dow n质谱分析方法在铂、钌类金属抗癌药物与蛋白质相互作用研究中的发展动态,并分析这一前沿交叉领域未来的发展趋势。

质谱;金属抗癌药物;蛋白质;相互作用

40多年前,顺铂被发现具有抗癌活性,并于1978年进入临床使用,开启了金属配合物作为抗癌药物的新时代。顺铂和第二代铂类抗癌药物卡铂,第三代铂类抗癌药物奥沙利铂已广泛应用于睾丸癌、卵巢癌、脑癌、膀胱癌等恶性肿瘤的治疗中[1-2]。铂类抗癌药物与DNA分子内的鸟嘌呤和腺嘌呤(主要是鸟嘌呤)配位,形成链内或链间复合物,破坏DNA的构象,从而阻止细胞内DNA的复制,诱导癌细胞的凋亡或者坏死[3-5]。正因为DNA被认为是铂类药物的终极作用靶标,在过去的30年,研究者的目光主要集中在研究铂类药物与DNA的相互作用[1,4]。但是,铂类抗癌药物中的铂原子具有很高的反应活性,除与DNA反应外,还易与蛋白质分子中的亲核基团结合,如半胱氨酸残基的巯基、蛋氨酸残基的硫甲基和组氨酸残基的咪唑环等[6-8]。因而,铂类金属抗癌药物经静脉注射给药后,在达到终极作用靶标DNA前,会与血液中以及细胞内的蛋白质广泛作用,对药物在人体内的摄入、转运、分布和生物利用度等起着至关重要的作用[6,9-10]。此外,如果药物与蛋白质之间的这种相互作用是不可逆的,则可能导致金属药物在组织中的累积和聚集,从而产生毒副作用,如中毒性肾毒性和耳毒性等[11]。铂类金属抗癌药物与细胞内负责药物输入和排泄的蛋白质相互作用,如铜转蛋白(CTR1)、腺苷三磷酸酶 7A/7B(A TPases7A/7B)等,与癌细胞获得性或先天性的耐药性密切相关[12]。

顺铂和第二代、第三代铂类抗癌药物与非DNA生物分子的相互作用导致严重的毒副作用,以及癌细胞对铂类药物先天性和获得性的抗药性,促使药物化学家们将目光转向其他金属化合物。其中,三价钌配合物 NAM I-A、KP1019和二价钌芳烃基配合物是最有临床应用前景的两类抗癌候选药物。三价钌配合物NAM I-A和KP1019已完成 1期临床试验[13-14]。NAM I-A只对转移的肿瘤细胞具有抑制活性,其终极作用靶标仍然不明确,有文献报道认为其作用靶标可能是控制肿瘤细胞转移的蛋白质/酶,而不是DNA。In vivo研究表明,NAM I-A类抗癌化合物在静脉注射给药后,80%～90%的钌与血清白蛋白结合[13]。在临床前实验中,二价钌有机金属配合物 HC11对异种移植的卵巢癌表现出与顺铂相当的抑制活性[15]。与铂类药物相似,DNA也是有机金属钌抗癌化合物的潜在作用靶标[16-17]。但是,有机金属钌抗癌化合物同样对半胱氨酸、蛋氨酸[18]和组氨酸[19]以及多肽和蛋白质[20-21]中的这3种氨基酸残基表现出不同程度的反应活性。所以,研究金属抗肿瘤药物与蛋白质的相互作用,以及这种相互作用对药物细胞摄入、转运以及代谢和生物利用度的影响,有利于金属抗癌药物的结构设计和优化,提高药物的抗癌活性、降低毒副作用。

研究药物与生物靶分子相互作用的方法主要有X-射线晶体衍射(XRD),核磁共振(NM R)波谱和质谱(M S)。由于药物-生物大分子复合物的单晶通常是在非生理环境下培养的,尽管XRD能准确的鉴定药物与靶分子的结合位点,但晶体学解析数据有时并不能客观、真实地反映药物与生物分子相互作用的动态过程。NMR能直接分析溶液状态下生物大分子及其复合物的三维结构,全面地记录模拟生理条件下小分子和生物大分子相互作用的动态过程。但是,NMR在药物相互作用研究中的应用还存在一些急需解决的问题,如耗样量大、灵敏度低、只能分析单一组分的生物大分子-药物复合物等。对复杂生物样品,如血清、血浆或细胞内低丰度、大分子量蛋白质与药物分子形成的复合物,或性质相近的多种蛋白质与药物分子形成的复合物混合物,其动态相互作用研究及作用位点的鉴定仍然是NMR分析面临的一大挑战。近年来,随着质谱技术的发展,基于软电离技术的电喷雾质谱和基质辅助激光解析电离质谱能够在分析检测过程中很好的保持金属抗癌药物与蛋白质的共价(配位)结合,直接获得药物与蛋白质结合位点的信息[9]。同时,质谱具有灵敏度高、所需样品量少、耗时短,以及适用于分析复杂生物样品等优点[22-23],使其迅速成为研究金属抗癌药物与蛋白质相互作用强有力的工具,大大促进了该领域的研究和发展[6]。通过质谱分析不但能够鉴定纯蛋白与金属抗癌药物的作用位点,而且通过与各种色谱分离技术联用(如二维液相色谱、二维凝胶电泳等)能够直接分析复杂体系(如细胞或组织)中的蛋白质与金属抗癌药物的相互作用,得到在生理环境下药物相互作用的结构信息,在为药物发现提供化学、生物信息的同时,也极大地促进了质谱技术自身的发展及其在生命科学领域的应用。

质谱分析研究金属抗癌药物与蛋白质的相互作用和结合位点,类似于鉴定蛋白质翻译后修饰的蛋白组学研究方法,主要有自下而上(Bo ttom-up)和自上而下(Top-dow n)两种策略。其中Bottom-up比 Top-dow n方法发展得更为成熟,应用也更加广泛。本文将结合我们在金属抗癌药物相互作用组学研究中取得的成果,系统地总结、评述Bottom-up和 Top-dow n质谱分析方法在铂、钌类金属抗癌药物与蛋白质相互作用研究中的最新进展,并分析这一前沿交叉领域未来的发展趋势。

1 Bottom-up方法在金属抗癌药物与蛋白质相互作用研究中的应用

Bottom-up方法是将蛋白质-金属抗癌药物复合物先酶解成肽段,肽段混合物经液相色谱分离,再进行在线质谱检测。金属药物中过渡金属铂或钌的特征同位素分布非常有利于结合金属抗癌药物肽段的鉴定。如进一步将结合药物的肽段裂解,可以将药物在肽段上的结合位点精确到单个的氨基酸残基上。由于Bottom-up方法将样品酶解后再进行LC/M S分析,因此该方法更适合研究质量数较大的蛋白质和金属抗癌药物的相互作用,如转铁蛋白、血清白蛋白等。但在蛋白样品的前处理过程中,为了避免金属抗癌药物从蛋白质上解离或发生转移、转化,样品前处理过程的时间应尽量缩短,并且尽可能少用含亲核基团的试剂,如DTT等。

1.1 铂类和钌类抗癌药物与血清白蛋白的相互作用研究

血清白蛋白是人体血浆中丰度最高的蛋白质,它能结合和转运多种内源代谢产物和药物[24]。目前绝大多数的金属抗癌药物都是经静脉注射的方式给药,药物在进入人体后与血清白蛋白发生广泛的结合[6]。如顺铂注射后,大约80%的药物与血清白蛋白结合[6,25],而钌抗癌药物 KP1019的80%～90%也是结合在该蛋白上[13]。这些结合与药物的活性、耐药性和毒副作用密切相关,研究它们的相互作用对这一类型抗癌药物的结构设计和优化具有非常重要的意义。

Sheldrick小组[26]利用二维液相色谱与串联质谱联用技术研究了顺铂与含有多种蛋白的人血清之间的反应。在将顺铂与人血清在体外孵化3 h后,离心超滤去除未反应的药物分子,加入胰蛋白酶酶解,将酶解得到的肽段用二维液相色谱(2D-LC)分离后,经质谱检测,得到铂化肽段的二级质谱图。通过SW ISS-PORT数据库的检索,鉴定顺铂在血清白蛋白(HSA)、转铁蛋白(Tf)等蛋白质上的作用位点。研究发现,顺铂与血清白蛋白的 Cys34、M et329、M et548、Tyr150(或 Tyr148)、A sp375(或 A sp376)氨基酸残基配位结合。由于蛋白质酶解鉴定的肽段覆盖率低,有可能导致顺铂与 HSA部分作用位点的丢失,即出现假阴性结果。

近期我们研究小组[21]利用LC-ESI-Q-TOF M S研究了HSA与两种有机金属钌抗肿瘤化合物[(η6-cymene)RuCl(en)]PF6、[(η6-biphenyl)RuCl(en)]PF6(en=ethylenediamine)的相互作用。为了提高肽段鉴定的覆盖率,在蛋白质样品酶解前,先对蛋白质和蛋白质-钌复合物进行变性、还原二硫键、封闭半胱氨酸残基的处理,使HSA胰蛋白酶酶解肽段的鉴定率达77%。在此基础上发现[(η6-cymene)Ru(en)]2+能与氨基酸残基Cys34的巯基生成配位键,并诱导巯基氧化生成亚磺酸,对 HSA的抗氧化功能产生不可逆的影响,而[(η6-biphenyl)Ru(en)]2+受有机配体联苯的位阻影响不能与Cys34结合。此外 ,[(η6-cymene)RuCl(en)]PF6、[(η6-biphenyl)RuCl(en)]PF6都能与 HSA表面的His128、His247、His510组氨酸残基、Met298蛋氨酸残基共价(配位)结合,且前者的结合程度比后者高。因此,研究表明,通过改变钌抗癌药物的有机配体结构可以很好地调控药物与蛋白质的反应活性。这一发现对进一步优化有机金属钌抗癌化合物的结构,提高药物在体内的转运效率和生物利用度具有重要的意义。采用类似的质谱分析方法,我们还研究了顺铂和 HSA的相互作用[27],结果显示顺铂与 HSA的氨基酸残基His67、His247形成链内交联复合物,而此位点正是 HSA转运锌离子的主要结合位点[28-29],因此顺铂与 HSA的结合可能干扰人体血液中锌离子的转运,导致锌缺乏症相关的毒副作用。早期已有文献[30]报道,顺铂能够诱导 HSA二硫键的断裂,但荧光和原二色谱(CD)等不能确定二硫键断裂的位置以及生成产物的结构。研究发现,顺铂能够诱导二硫键Cys124-Cys169断裂,并且与还原的Cys124氨基酸残基的巯基结合。由于二硫键对于维持蛋白构型的稳定有重要作用,因此顺铂诱导二硫键的断裂可能对血清白蛋白的生物功能产生重要影响,如脂肪酸、胆红素转运等[31]。除此之外,顺铂还能与 HSA表面的His128和Met298氨基酸残基共价(配位)结合。

1.2 铂类和钌类抗癌药物与转铁蛋白的相互作用研究

人血清转铁蛋白(h Tf)是由一条多肽链折叠而成含2个铁离子结合部位的转运蛋白,它通过与细胞表面转铁蛋白受体的特异性结合,将铁离子转运至细胞内[32-33]。在生理条件下,血清转铁蛋白只有部分(约30%)被铁离子占据,因此转铁蛋白还能与进入血清的其他金属离子结合并将其转运,如铂、钌金属抗癌药物等[32,34]。通常肿瘤细胞的表面会过表达 Tf受体,转铁蛋白通过与抗癌药物的结合可以提高药物运输的靶向特异性[35]。因此,研究金属抗癌药物与转铁蛋白相互作用,有助于加深对金属抗癌药物在人体内转运和摄入过程的认识。

Dyson小组[36]利用LC-ESI-Q-TOF M S研究了顺铂与 Tf的相互作用,发现顺铂与 Tf的Thr457氨基酸残基配位。Thr457位于转铁蛋白的C裂片,是铁离子的结合位点之一。紫外和分子模拟的结果表明,顺铂、铁离子在与 Tf的结合位点上存在竞争,并且顺铂与转铁蛋白C裂片的 Thr457残基配位后,在空间上阻碍铁离子在该位点的结合。而Sheldrick等[26]利用2DLC-ESI-M S/M S同样研究顺铂与转铁蛋白的相互作用,发现顺铂除与 Thr457残基结合外,还与 M et256、E265、Y314、E385残基结合。不同研究小组得到有差异的结果可能是由于顺铂与转铁蛋白反应条件的不同而造成,如反应时间、温度、p H值等,也有可能是由分离方法所引起。二维液相能更好的分离和富集铂化肽段,从而提高质谱的检测限,获得更多的结合位点信息。大量实验表明,钌抗癌药物的毒性比铂类抗癌药物低,且更易被肿瘤组织吸收,主要的原因被认为是钌可以模拟铁离子与血浆中的转铁蛋白结合,从而使得药物更容易进入癌细胞内[37]。因此研究钌基有机金属抗癌药物和转铁蛋白的结合作用同样具有非常重要的意义。我们研究小组利用LC-ESI-Q-TOF M S研究了转铁蛋白与[(η6-cymene)RuCl(en)]PF6,[(η6-biphenyl)RuCl(en)]PF6两种有机金属钌抗肿瘤化合物的配位反应[38]。结果发现,两种钌基配合物均可共价(配位)结合在 His261(His268)、His292、Tyr593(His597)和 His625残基上。研究同时发现,p-cymene配合物还可与 His554和 Tyr578氨基酸结合,biphenyl配合物则可能与Asp375氨基酸残基发生相互作用。从中可以看出,钌金属抗癌药物与顺铂在转铁蛋白上的结合位点存在较大差异,钌抗癌药物与组氨酸残基配位能力强,与铁离子在结合位点上不存在竞争关系,这也可能是钌抗癌药物具有较低毒副作用的原因之一。

1.3 铂类和钌类抗癌药物与细胞内蛋白质的相互作用研究

金属抗癌药物通过被动扩散和蛋白质(如铜转蛋白、有机阳离子转运蛋白等)的转运进入细胞[12]。金属抗癌药物除与细胞核内的DNA作用外,还与细胞质中富含巯基的生物分子结合,如与谷胱甘肽、金属硫蛋白、腺苷三磷酸酶7A/7B等的相互作用。越来越多的实验表明,这些结合作用与金属抗癌药物的活性和抗药性密切相关,因此,金属抗癌药物与细胞内蛋白质相互作用的研究受到越来越多的重视。

Sheldrick等[39]研究了钌抗癌药物[(η6-p-cymene)RuCl2(DM SO)]与大肠杆菌的蛋白质相互作用。先将大肠杆菌与钌抗癌药物孵化,再破碎细胞提取蛋白,加入胰蛋白酶酶解,二维液相分离,M S/M S鉴定药物结合的蛋白质。研究发现,该钌化合物主要与细胞内的应激蛋白和解旋酶结合。得到这种研究结果的原因可能是在实验中使用了高浓度的钌化合物(10 mmol·L-1)与大肠杆菌孵化,由于细胞的应激效应刺激了应激蛋白和解旋酶的大量表达,使得研究中主要发现钌抗癌药物与这两种蛋白的相互作用。由此可以看出,金属抗癌药物在细胞中的作用靶点研究需在接近人体内的药物浓度下进行才能得到真实的信息。近期,Ratanaphan等[40]报道利用LC-M S/M S研究乳癌抑制蛋白1(BRCA 1)与顺铂的相互作用。BRCA 1主要生物功能是参与维护染色体的完整性,临床研究发现,通过将BRCA 1失活可以提高癌细胞对药物的敏感性,因此BRCA 1可作为铂类抗癌药物设计的一个潜在的增敏靶点。质谱结果发现,顺铂可以结合在单体BRCA 1的 His117残基上,也可以形成BRCA 1的二聚体复合物,并且铂化后的BRCA 1具有更高的热稳定性。

Bottom-up方法研究金属抗癌药物与蛋白质相互作用通常需要经过液相分离的步骤,以富集金属药物结合的肽段减少电喷雾过程中的抑制作用。但是,如果蛋白质的质量数较小(＜15 ku),金属药物与蛋白质反应程度高,酶解后的肽段可以直接用M S检测而不需要经过分离步骤。细胞色素C质量数较小,且含有易于与金属抗癌药物结合的 M et、His等残基,因此通常被当作研究蛋白质与金属抗癌药物相互作用的模型。最近 King等[41]报道直接使用高分辨的FT-M S研究细胞色素C与顺铂的相互作用,通过比较细胞色素C和细胞色素C-顺铂复合物酶解肽段的不同,找到与顺铂结合的肽段,再用M Sn方法最终确定顺铂结合在细胞色素C的 Met65残基上。同样,Gibson等[42]利用L TQ-Orbitrap研究卡铂与细胞色素C的相互作用,发现卡铂也是与M et65残基结合。M esso ri等[43]利用 LC/M S、NM R研究了trans-[PtCl2{(E)-HN=C(OCH3)CH3}2]与细胞色素C的反应,同样发现该铂化合物与Met65残基结合。Janiak等[44]采用LC/M S研究[Ru(bipy)(terpy)L](PF6)2(bipy=2,2’-bipyridine,terpy=2,2’:6,2’-terpyridine,L=imidazole)与细胞色素C的反应,确定该钌化合物结合在细胞色素C的His39残基上。上述研究结果表明,在细胞色素C上,铂类抗癌药物优先与S原子配位,而钌类抗癌药物优先与组氨酸残基的N配位。因此,铂类和钌类抗癌药物在细胞内的结合蛋白靶点可能存在差异,这可能是有机金属钌抗癌化合物与顺铂没有交叉抗药性的原因之一。

2 Top-down方法在金属抗癌药物与蛋白质相互作用研究中的应用

Top-dow n方法主要步骤是先将金属药物-蛋白质复合物离子化,利用 CID、IRM PD、ECD等裂解技术将全蛋白裂解,分析鉴定含金属药物的碎裂片段,得到药物在蛋白上的结合位点信息。Top-dow n方法优点是,样品不需酶解等前处理步骤,能够最大限度的保留金属药物和蛋白质相互作用的信息。但是该方法也存在较大的局限,由于现有蛋白质裂解技术的限制,蛋白的裂解无法较好的控制,并且蛋白质的裂解机理复杂,对于质量数较大的蛋白质,大量的碎裂片段难以解析。因此,目前该方法只适用于研究质量数较小的蛋白质(＜10 ku)与金属药物的相互作用。

泛素是一个含有76个氨基酸残基的蛋白质,其广泛存在于细胞质和细胞核中。泛素在细胞的泛素化信号通路中起着关键的作用,与肿瘤的增值具有密切的关系,是金属抗癌药物在癌细胞中的潜在作用靶标[45-46]。Hartinger等[8]利用ESI-FT-M S/M S研究了顺铂,奥沙利铂,反铂与泛素蛋白质的相互作用。在将铂类药物-泛素的复合物离子化后,通过CID方法直接裂解该蛋白复合物。分析含铂的片段发现,顺铂和奥沙利铂结合在泛素 Met1残基上,而反铂结合在19Pro-Ser-A sp-Thr-Ile-Glu24的肽段上,但不能进一步确定结合的氨基酸残基。此外,研究发现CID和IRM PD裂解方法都能获得含铂蛋白碎裂片段,而使用 ECD的裂解方法没有发现,原因可能是由于铂离子捕获电子使产生的含铂片段中性化,而不能被质谱检测。

近期,Gomez等[47]利用 ESI-L IT-M S/M S研究了胰岛素和顺铂之间的相互作用。胰岛素同样是一个小蛋白,含有2条肽链,被2条分子内的二硫键相连。胰岛素与顺铂反应最多可以结合3个顺铂分子。利用CID裂解和M Sn分析发现,顺铂主要结合在胰岛素B链的N端、His5和 His10残基上。此外,研究结果显示,顺铂还可能结合在Cys7残基上,虽然该残基在蛋白中形成了二硫键。金属硫蛋白是一个低分子质量,富含半胱氨酸,并且对多种金属离子具有高亲和性的蛋白质。大量实验表明,金属硫蛋白和癌细胞与铂类抗癌药物的耐药性密切相关[12,48]。Li等[49]利用 ESI-QQ-TOF研究了金属硫蛋白和顺铂的相互作用,结果发现顺铂可以结合在Cys5和Cys7残基上。

3 结束语

基于软电离技术的质谱已成为研究金属抗癌药物与蛋白质相互作用最强有力的工具,质谱技术的进步大大促进了该领域的研究和发展。但是目前大部分的研究都是在模拟生理条件下将蛋白质与金属药物孵化,并且为了提高反应中生成金属药物-蛋白质复合物的比率,通常金属药物都是大大过量于蛋白质,而这种情况在生理环境中往往是不存在的。因此,体外实验的研究结果可能与临床应用中药物的作用途径存在较大差异。目前,在生理条件下研究金属抗癌药物与蛋白质的相互作用,主要面临着实际样品复杂性高以及金属药物-蛋白质复合物含量极低的挑战。要解决这些问题,可以充分发挥ICP-M S和ESI-M S各自的优势,利用1D或2D的 HPLCICP-M S分析鉴定复杂生物样品,如临床样品中与金属药物结合的蛋白质,确定药物与蛋白质结合的化学计量比。然后,从生物样品中选择性富集结合金属药物的蛋白,再应用Bottom-up或Top-dow n ESI-M S分析确定金属药物在蛋白质上的结合位点。

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Application of Mass Spectrometry in Research on the Interactions of Anticancer Metallodrugs with Proteins

HU Wen-bing,WANG Fu-yi
(Beijing National Laboratory for Molecu lar Science,Institute of Chemistry,Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China)

Investigating the interactions of anticancer metallodrugs with proteins,aswell as their effects on the process of drug transport,cellular up take,metabolism and bioavailability,is very important for structure-based design,improvement of activity and reduction of side effects of anticancer metallodrugs.The soft ionization mass spectrometry including ESI and MALD Ican greatly p reserve the coordination of drug molecules to biomolecules during the performance,and p rovide direct information on the binding sites of metallodrugson proteins.Additionally,mass spectrometry has many advantages such as high sensitivity,low sample consump tion,speed,suitable for comp lex biological samples and so on.Thus,it has become the most powerful tool for studying the interactions of anticancer metallodrugswith proteins.The increasing researcheson this field provide notonly valuable chemical and biological information for drug discovery,but also greatly promote mass spectrometry itself.Bases on the update progress of our ow n group on the interactomic studies of anticancermetallodrugs,wep resents a review of the latest achievements of research on the interactions of platinum-and ruthenium-based anticancer drugs(o r candidates)with proteins using bottom-up and top-down mass spectrometric approaches.A brief analysis on the possible future research trends and development in this area is also given.

mass spectrometry;anticancer metallodrug;protein;interaction

O 657.63

A

1004-2997(2010)06-0354-08

2010-10-08;

2010-11-10

国家自然科学基金(20975103,90713020),科技部973重大基础研究项目(2007CB935601)资助

胡文兵(1983～),男(汉族),博士研究生,分析化学专业。E-mail:w enbhu@iccas.ac.cn

汪福意(1964～),男(汉族),研究员,博士生导师。E-mail:fuyi.wang@iccas.ac.cn