2023年2月3日，中国科学院上海药物研究所罗成课题组与上海交通大学医学院陈国强院士团队、上海交通大学药学院张翱团队合作在Signal Transduct Target Ther发表题为“Celastrol suppresses colorectal cancer via covalent targeting peroxiredoxin 1”的文章，研究表明雷公藤红素通过共价结合PRDX1蛋白抑制结直肠癌进展，并开发出安全性更高，毒性更低的雷公藤红素衍生物。 
　　

天然产物的靶标发现与确证是药物研发的重要源泉，基于结合检测的靶标发现技术会不可避免地鉴定出表型不相关的靶标蛋白，而基于化合物结构比对的靶标预测工具，不适用于缺乏抑制剂报道的靶标蛋白。为了促进基于表型的化合物靶标发现，中国科学院上海药物研究所罗成课题组与上海交通大学医学院陈国强院士团队、上海交通大学药学院张翱团队合作开发了一种新的靶标富集排序工具OTTER（在线服务器http://otter-simm.com/otter.html），它通过对海量的PubMed文献摘要进行挖掘，并结合蛋白质相互作用评估，能够有效富集目标化合物的靶标蛋白。 

雷公藤红素又名南蛇藤素，是从卫矛科植物雷公藤中提取的五环三萜类单体化合物，对多种肿瘤类型均具有较为显著的抑制作用。然而雷公藤红素具有较为明显的毒性，其发挥抗肿瘤活性的分子靶标及作用机制不够清晰。同时，缺乏雷公藤红素与靶标的复合物晶体结构，其如何与靶标蛋白发生相互作用的分子机制不清晰，使得基于其化学结构改造，进而开发高效低毒的雷公藤红素衍生物缺乏明确的指导方向。 

围绕上述问题，该研究运用新工具OTTER，以及基于雷公藤红素组学数据分析获得的差异表达基因列表，再结合生物化学、生物物理等技术手段，发现雷公藤红素对过氧化氢氧化还原酶（peroxiredoxin, PRDX）蛋白家族的若干成员，有较为明显的酶活抑制。其中，雷公藤红素对PRDX1蛋白的酶活抑制最强，IC50达到了约290纳摩尔。进一步的质谱数据及点击化学实验提示，雷公藤红素与PRDX1蛋白的第173位半胱氨酸共价结合（图1）。

　 
　　图1.新工具OTTER原理及雷公藤红素靶标发现　　  

该研究首次成功解析了雷公藤红素与PRDX1蛋白的复合物晶体结构（分辨率1.76 埃），揭示了其独特的结合模式。每个PRDX1蛋白二聚体，能够共价结合两分子的雷公藤红素，并且这两分子雷公藤红素能够与邻近的PRDX1蛋白二聚体，形成非共价的氢键及疏水相互作用（图2）。该研究通过复合物晶体结构，首次建立了雷公藤红素如何与靶标蛋白发生共价修饰作用的结构基础。

图2.雷公藤红素与PRDX1蛋白的复合物晶体结构　　  、

在此基础上，通过设计并合成衍生物，获得了特异性及体内安全性显著提高的新型雷公藤红素衍生物19-048。通过构建PRDX1蛋白敲低及过表达的结直肠癌细胞系，该研究在细胞及动物层次上严格地确证了雷公藤红素及其衍生物19-048的在靶效应，并开展了化合物的作用机制研究。通过检测化合物在小鼠体内的急性毒性，该研究证明了衍生物19-048的安全性，显著优于原型雷公藤红素（图3）。 

　　 
　　图3. 雷公藤红素的结构改造及动物水平靶标确证　　  

该研究一方面证明了雷公藤红素的体内毒性，可以通过靶标发现及基于结构的化学优化而降低，另一方面也为更多重要天然产物的靶标发现，提供了可以直接参考借鉴的研究策略，以及实用的靶标发现新工具。 

设施贡献 

国家蛋白质科学研究（上海）设施规模化蛋白质制备系统及蛋白质晶体结构分析系统（BL19U1线站）为该工作的晶体筛选、X射线衍射数据收集提供了条件保障和技术支持。 

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41392-022-01231-4