信号转导和转录激活因子3抑制剂的研究进展

伍 芮(综述)，刘龙飞 (审校) （南华大学附属南华医院普外科，湖南衡阳 421002）

提 要：在正常的健康细胞中，信号转导和转录激活因子3(STAT3)受到严格调节以维持瞬时活跃状态来控制许多生物过程。然而，已经在许多不同的癌症中观察到异常或组成型活化的STAT3，并且已显示组成型活化的STAT3与肿瘤发生、肿瘤进展甚至不良预后相关。该文从肽及拟肽类抑制剂、计算机虚拟技术发现的小分子和天然产物类等方面阐述STAT3抑制剂药物发现的研究进展。

信号转导和转录激活因子3(STAT3)的组成性激活在肿瘤发生和进展中具有关键性的位置，但尚未研究出可应用于临床的STAT3抑制剂，期待STAT3抑制剂成为一种癌症治疗药物仍需进一步的探索。本文从肽及拟肽类抑制剂、计算机虚拟技术发现的小分子和天然产物类等方面对STAT3抑制剂的药物发现研究进展进行了综述。

1 STAT3的介绍

1.1 STAT3的信号通路

STAT3具有信号转导和转录活化双重功能，是在正常组织中广泛表达的转录因子，可通过细胞因子和生长因子介导JAK/ STAT信号通路来调节细胞内生物学行为[1-2]。STAT家族有7个成员(STAT 1、2、3、4、5a、5b、6)，STAT3是被研究得最多的成员之一，JAK家族也有JAK1、JAK2、JAK3、JAK4四个成员，STAT3发挥信号转导通路主要通过JAK2/STAT3信号通路来完成[3]。细胞因子(如IL-6、IL-10、IL-11)和生长因子受体(如EGF、VEGF、FGF) 与相应受体结合，将转录信号传递至质膜，刺激这些受体导致它们的自身磷酸化，JAK的募集和激活[4]。受体和JAK上酪氨酸残基的磷酸化通过与STAT3的SH2结构域结合而导致STAT3的募集。JAK然后磷酸化STAT3，导致其活化，二聚化和易位进入细胞核，在那里它控制各种基因的转录[5]。这些基因对许多正常细胞过程很重要，包括胚胎发育、细胞增殖、细胞分化、炎症反应、抗凋亡、免疫和血管生成[6]。

1.2 STAT3的结构

STAT3蛋白主要含有6个不同功能结构域，包括氨基末端结构域(NTD)、DNA结合结构域(DBD)、卷曲螺旋结构域(CCD)、接头结构域、SH2结构域和羧基末端反式激活结构域(TAD)。SH2区和DBD结构域因其在磷酸化转录激活中的重要作用而成为STAT3抑制剂常见的靶标[7]。

1.3 STAT3与癌症

研究发现STAT3在许多类型的人类癌症中被组成型激活，调节与许多癌症类型中与癌症进展和恶性程度相关的细胞周期、细胞存活和免疫应答相关的基因的表达，可抑制癌细胞的凋亡和促有丝分裂。异常活化的STAT3活性可增强肿瘤侵袭及抗癌药物的抵抗，进一步促进癌症发展扩散[8]。

2 STAT3抑制剂

STAT3既是多种肿瘤促进因子的转录调节因子，又是许多最常被激活的致癌途径的汇聚点。鉴于其在肿瘤发生和发展中的关键作用，STAT3已成为癌症治疗的有吸引力的靶标[9]。

靶向STAT3蛋白是目前研究最多的途径，主要有以下3种方法：抑制STAT3磷酸化、阻止功能性STAT3二聚体的形成和抑制核内的STAT3与DNA结合从而阻断下游靶基因的转录。目前研究较多的抑制剂按类别可分为肽及拟肽类抑制剂、计算机虚拟技术发现的小分子和天然产物类。

2.1 肽及拟肽类STAT3抑制剂

首先，使用源自STAT3的具有PpYLKTK序列的磷酸肽来抑制STAT3的DNA结合活性，在羧基末端向该肽添加膜透化序列(AAVLLPVLLAAP)导致使用荧光素酶报告基因测定能够抑制细胞中STAT3活性的肽，但不确定这种磷酸化肽在细胞或动物模型中的稳定性[10]。来自上述肽的至少3个氨基酸残基PpYL才足以抑制STAT3，在对这种三肽进行修饰的后续研究中，新合成的肽模拟物例如ISS 610具有改善的活性。尽管ISS 610抑制STAT3的组成型活化和癌细胞生长，但因其高细胞毒性，ISS 610可能难以进行临床开发。

XZH-5是另一种使用基于结构设计产生的肽模拟物，可在酪氨酸705和SH2结构域的侧袋之间形成氢键。XZH-5具有细胞渗透性，可抑制多种癌细胞中STAT3磷酸化，DNA结合和STAT3靶基因表达下调[11]。虽然XZH-5比先前的肽模拟物具有更高的溶解度和选择性，但它效力较低，细胞毒性不够小。目前已鉴定出具有较低细胞毒性的IC50新类似物，XZH-5及其类似物在体外和基于细胞的研究中颇有成效，但尚未对这些模拟物进行形体体内测试。

DBD-1是一种小肽适体，可破坏STAT3-DNA结合，但不干扰STAT3磷酸化。然而，体内研究的结果显示DBD-1与STAT3的DBD仅有微弱的相互作用[12]。

肽模拟物和适体是第一组靶向待研究的STAT3的抑制剂，但这类抑制剂存在许多挑战，分子探针在体外测定时显示对STAT3的低亲和力，包括肽和寡核苷酸的分子探针可引起宿主免疫原性反应，加上其不确定的稳定性和递送，这类抑制剂没有一个能够进入I期临床试验[13]。为了克服开发STAT3靶向生物药物的这些挑战，迫切需要新的方法来增加它们的亲和力和可能的人源化。

2.2 计算机虚拟技术发现的小分子抑制剂

2.2.1 作用于SH2结构域的小分子抑制剂 Src同源性2(SH2)结构域是100个氨基酸模块单元，其识别并结合其靶蛋白上的酪氨酰磷酸化肽序列，从而介导细胞内蛋白质-蛋白质相互作用，这种关键的分子相互作用已被用作直接抑制STAT3的小分子抑制剂的分子靶标[14]。

Stattic是通过含有少于17 000种化合物的各种化学文库的高通量筛选(HTS)发现的。与STAT3的SH2结构域相互作用，选择性地抑制STAT3活性、二聚化和核转位，并导致癌细胞凋亡增加。Stattic也已经在几种动物模型中进行了测试，这些模型显示Stattic单独使用可抑制肿瘤生长，并且当与放射和化学治疗相结合时可增强抑癌效果[15]。虽然Stattic在动物实验中有不错的效果，但缺乏靶向选择性。

以LLL12为起点合成片段可制备一种新的STAT3抑制剂LY5小分子，使用荧光偏振测定能确定LY5成功结合了SH2结构域，并选择性抑制STAT3的组成型激活和核转位及下游靶基因的表达。此外，LY5与顺铂或放射线的组合可提高神经管细胞瘤的治疗效果[16]。总体而言，LY5的细胞毒性IC50(0.5～1.4 μmol/L)低于先前的SH2结构域抑制剂，并且已显示出克服对各种抗癌剂抗性的希望。

计算对接和分子动力学模拟(MDS)的结果显示，OPB-31121与STAT3的SH2结构域具有高亲和力相互作用，通过体外结合测定和竞争实验以及STAT3 SH2结构域中关键残基的定点诱变证实了OPB-31121与SH2结构域中残留的一系列残基相互作用，独特的高亲和力特性使OPB-31121成为进一步发展的有希望的STAT3抑制剂候选者[17]。但来自晚期实体瘤患者的第一阶段I研究的结果表明，口服给药的药物具有良好的耐受性并具有有利的毒性特征，但低生物利用度和不利的药代动力学不利于其在临床中的使用。

综上所述，绝大多数STAT3抑制剂靶向SH2结构域，由于STAT3不能充分被抑制，靶向SH2结构域的成功率有限。这些抑制剂的另一个常见问题是它们的高细胞毒性，这进一步导致了SH2结构域可能难以靶向的现状，将阻止它们进一步的临床开发。

2.2.2 作用于DBD结构域的小分子抑制剂 化合物HO-3867选择性地抑制STAT3磷酸化、转录和DNA结合，而不影响其他活性STAT的表达，在卵巢癌的治疗中显示出对复发的原发性卵巢癌细胞群的毒性，优异的口腔生物吸收和异种移植模型中的生物利用度，以及铂抗性肿瘤的体内毒性。然而，许多化合物具有这些特性，使HO-3867与众不同的创新之处在于其对癌细胞的选择性毒性，对非癌细胞和组织表现出极小的毒性，同时在体外和体内均能保留正常细胞[18]。HO-3867在临床前评估中显示出巨大的希望。

有研究者在化合物InS3-54的基础上，克服了其脱靶效应，鉴定出高特异性和药理学性质的先导化合物InS3-54A18，InS3-54A18不仅直接与DBD结合，而且在体外和原位抑制STAT3的DNA结合活性但也有效抑制STAT3下游靶基因的组成型和白细胞介素-6刺激的表达，而且InS3-54A18完全溶于口服制剂，有效抑制肺异种移植肿瘤的生长和转移，对动物几乎没有不良作用[19]。因此，S3-54A18可以作为STAT3的DBD抑制剂潜在候选者。

由于缺乏足够的测定系统，STAT3 DNA结合结构域的靶向和STAT3与其DNA启动子结合的破坏尚未得到彻底的检查，可用于确认STAT3的DBD结合的分析范围仍然很窄。

2.3 天然产物抑制剂

大量天然产物具有抗炎作用和抗肿瘤作用，可能是发现靶向其SH2结构域的潜在STAT3抑制剂的丰富资源。

姜黄素是一种天然存在的黄酮类化合物，具有多种抗肿瘤活性，也被证明可抑制STAT3信号传导。然而，由于其低生物利用度和快速代谢，已经合成了两种不同的姜黄素类似物(FLLL31、FLLL32)，在姜黄素中心的2个氢分别被甲基和螺环己基环取代，并具有3, 4-二甲氧基取代基，这有助于提高稳定性。FLLL31和FLLL32均在体外抑制STAT3磷酸化、DNA结合活性、集落形成和细胞侵袭以及诱导细胞的凋亡[20]。然而，FLLL31和FLLL32是否直接与SH2结构域结合需要进一步研究。芹菜素作为黄酮类天然产物，同样被证明了可抑制STAT3信号通路，但其共同的缺点是靶向性低下。

JSI-124是一种植物天然产物，之前被鉴定为葫芦素I，是从葫芦科和十字花科等各种植物家族中分离出的葫芦素类化合物的成员，JSI-124(葫芦素I)对JAK/STAT3具有高度选择性，有效抑制磷酸酪氨酸STAT3水平，抑制了STAT3 DNA结合和STAT3介导的基因转录[21]。JSI-124抑制具有高水平的组成型活化STAT3但不抑制具有低水平活化STAT3的那些肿瘤的生长，进一步证实了对STAT3信号传导的干扰作为癌症化学疗法的合理方法。

白藜芦醇是一种具有抗氧化和抗炎特性的天然植物抗毒素，可抑制Src酪氨酸激酶活性，从而阻断恶性细胞中的组成型STAT3蛋白激活。白藜芦醇抑制STAT3调节的细胞周期蛋白D1以及Bcl-xL和Mcl-1基因，研究结果显示白藜芦醇的抗肿瘤细胞活性部分是由于STAT3的阻断而介导生长和存活途径的失调[22]。

靛玉红最初被鉴定为中草药当归隆回丸中的活性化合物，已被广泛用作慢性髓性白血病的中药治疗药物。动物模型研究显示靛玉红有显著的抗肿瘤特性和相对低的毒性。靛玉红衍生物(E804)可降低细胞中c-Src的酪氨酰磷酸化水平，并可抑制胰腺肿瘤细胞中组成型STAT3 DNA结合活性，STAT3 DNA结合活性的失活还导致抗细胞凋亡蛋白Mcl-1和存活蛋白的下调以及人胰腺肿瘤细胞凋亡的诱导[23]。因此，E804是Src- STAT3信号传导途径的有效抑制剂，并且具有作为上皮恶性肿瘤抗肿瘤治疗剂的潜力。

大量针对STAT3各种靶位的抑制剂不仅具有抗炎作用和抗肿瘤作用，也具有低成本、可增加化学和放射治疗敏感性的作用，最重要的是天然产物细胞毒性较低，可提高患者的生活质量。但溶解性差、生物利用度低和肿瘤非特异性也是导致STAT3天然抑制剂在临床癌症治疗中应用延迟的主要原因。

3 小结

虽然不少研究结果已显示许多STAT3抑制剂在体外具有抑癌效果，但它们大部分尚未进入临床评价。小分子化合物抑制剂大多效果明显，但细胞毒性较大且难以解决；天然产物抑制剂毒性作用小，可以提高患者的生活质量，但存在功效不足、难以靶向的弊端。具有高疗效、低毒性的STAT3抑制剂仍是日后研究的方向。