2016年，de Waal等人发现一种人工合成的小分子化合物DNMDP诱导的细胞死亡需要PDE3A（phosphodiesterase 3A）和SLFN12 (Schlafen family member 12)的参与【1】。2019年，王晓东团队发现高浓度的雌二醇（17-β-estradiol, E2）可以诱导线粒体凋亡通路发生，并通过高通量化合物筛选和CRISPR-Cas9全基因组筛选发现，PDE3A和SLFN12是参与该凋亡通路的关键基因（Molecular Cell | 王晓东团队发现雌激素诱导细胞凋亡的分子学机制及其生理学意义）。当E2分子直接结合PDE3A后，会进而促进SLFN12与PDE3A复合体的形成，然后抑制SLFN12的降解。积累的SLFN12与核糖体结合，阻断了SRP（SignalRecognition Particle）与核糖体的结合，抑制蛋白翻译，导致细胞内的膜分泌蛋白无法在内质网上合成，包括抑凋亡蛋白Bcl-1和Mcl-1的翻译，从而引起凋亡发生【2】。随后，艾有为和安然等人也分别发现生物碱小分子nauclefine和已知的PDE3的抑制剂anagrelide同样也能激活PDE3A-SLFN12通路，介导细胞死亡【3,4】。这些化学结构不同的化合物诱导的细胞凋亡能够被其他已知的PDE3A抑制剂trequinsin 或 cilostazol所抑制。为何这些结构不同的小分子都能结合PDE3A，以及结合以后能够造成截然相反的后果，成为了进一步探索的课题。
2021年10月27日，北京生命科学研究所的王晓东团队联合王宏伟团队，黄牛团队和齐湘兵团队在Nature Communications杂志上发表了题为“Structure of PDE3A–SLFN12 Complex andStructure-based Design for A Potent Apoptosis Inducer of Tumor Cells”的研究论文。该文章解析了三种结构不同的小分子化合物 (anagrelide, nauclefine, DNMDP)处理条件下的PDE3A-SLFN12复合物结构，通过对复合物结构的分析，获得小分子与蛋白复合物相互作用的关键结构信息。基于所获得的PDE3A-SLFN12复合物结构模型与结合模式，作者选用了临床上药代动力学、药效学和安全性都较好的anagrelide作为目标分子进行计算机模拟和进一步优化改造。结果表明，改造后的anagrelide类似物诱导细胞发生凋亡的活性更高，且在小鼠成瘤模型实验中，具有更强的抑制肿瘤生长的潜力。
联合团队首先使用不同小分子化合物(anagrelide, nauclefine,DNMDP)处理HeLa细胞，并借助免疫共沉淀法，使用Flag和HA双标记的SLFN12纯化了SLFN12与内源性蛋白PDE3A相互作用的复合物。清华大学王宏伟团队的刘楠博士通过冷冻电镜解析了高分辨率的小分子-PDE3A-SLFN12复合物结构。结构显示 PDE3A 和 SLFN12 形成蝴蝶状异四聚体复合物。anagrelide、DNMDP 和 nauclefine分子的亲水侧与 PDE3A 的催化口袋结合，而其疏水部分延伸至 SLFN12并与之形成疏水相互作用。这些小分子像“分子胶水”一样将两种蛋白质“粘合”在一起（图1）。
图1 小分子-PDE3A-SLFN12复合物结构
其中，anagrelide是治疗血小板增多症的一种上市药物，作者证实了anagrelide正是通过PDE3A-SLFN12通路直接诱导了血小板生成的前体巨核细胞(MKs)的凋亡，从而减少MKs细胞产生的血小板数量，起到抗血栓的作用。那么肿瘤细胞中是不是也存在这样的一个通路，是不是可以尝试通过激活该通路达到诱导肿瘤细胞死亡的目的？为此，根据小分子与PDE3A-SLFN12复合物结合的关键结构域，北京生命科学研究所黄牛团队以anagrelide为目标，利用计算机模拟出了增强与SLFN12结合的分子；齐湘兵团队基于计算结果和结合模式设计与合成了更“粘”的分子胶水。验证发现，anagrelide类似物A6诱导细胞发生凋亡的活性可以达到pM级别。此外，在小鼠成瘤模型实验中，A6也具有更强的抑制肿瘤生长的潜力（图2）。
图2anagrelide类似物A6有效的促进细胞凋亡和抑制肿瘤生长
该工作揭示出：不同结构的化合物都能结合PDE3A是因为该蛋白的底物结合区域能够容纳结构不同的化学基团。而这些化合物激活还是抑制PDE3A-SLFN12细胞凋亡通路依赖于该分子是否具有能和SLFN12结合从而把PDE3A和SLFN12“粘”在一起的分子胶水的性质。基于复合物的结构来改造优化分子胶水这个性质，则创造出了更有效的细胞凋亡诱导分子，为开发新型肿瘤治疗药物，奠定了科学基础。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26546-8.pdf
参考文献
1.de Waal, L.;Lewis, T. A.; Rees, M. G.; Tsherniak, A.; Wu, X.; Choi, P. S.; Gechijian, L.;Hartigan, C.; Faloon, P. W.; Hickey, M. J.; Tolliday, N.; Carr, S. A.; Clemons,P. A.; Munoz, B.; Wagner, B. K.; Shamji, A. F.; Koehler, A. N.; Schenone, M.;Burgin, A. B.; Schreiber, S. L.; Greulich, H.; Meyerson, M., Identification ofcancer-cytotoxic modulators of PDE3A by predictive chemogenomics. NatChem Biol 12, 102-8 (2016).
2.Li, D.;Chen, J.; Ai, Y.; Gu, X.; Li, L.; Che, D.; Jiang, Z.; Li, L.; Chen, S.; Huang,H.; Wang, J.; Cai, T.; Cao, Y.; Qi, X.; Wang, X., Estrogen-Related HormonesInduce Apoptosis by Stabilizing Schlafen-12 Protein Turnover. MolCell 75, 1103-1116 e9 (2019).
3.Ai, Y.; He,H.; Chen, P.; Yan, B.; Zhang, W.; Ding, Z.; Li, D.; Chen, J.; Ma, Y.; Cao, Y.;Zhu, J.; Li, J.; Ou, J.; Du, S.; Wang, X.; Ma, J.; Gao, S.; Qi, X., An alkaloidinitiates phosphodiesterase 3A-schlafen 12 dependent apoptosis without affectingthe phosphodiesterase activity. Nat Commun 11, 3236(2020).
4.An, R.; Liu,J.; He, J.; Wang, F.; Zhang, Q.; Yu, Q., PDE3A inhibitor anagrelide activatesdeath signaling pathway genes and synergizes with cell death-inducing cytokinesto selectively inhibit cancer cell growth. Am J Cancer Res 9,1905-1921 (2019).
