今天我们讲一个化合物逆袭的故事。

1881年,一个不太有名的化学家Grodzki在柏林研究硫脲化合物。他做了一个实验,得到了一种味道有点像大蒜的化合物——vnsr威尼斯城官网登入,双硫仑。由于含有硫元素的有机化合物大多不太好闻,Grodzki也没有发现双硫仑有什么其他特殊的性质,于是就写了一篇小文章,在德国化学家学会期刊上发表了自己的新发现\[1\]。当时的德国,有机化学领域群星灿烂,各种新奇化合物层出不穷,也就没有人去多关注这样一个看似平淡无奇的化合物。

vnsr威尼斯城官网登入 1双硫仑化学式。图片来源:Wikipedia

但是双硫仑可以有效地加快橡胶的硫化过程,于是,让Grodzki没想到的是,二十几年后,随着橡胶工业飞速发展,双硫仑得到了广泛的应用。而橡胶工业从此也有了一个谜一样的巧合——橡胶工业的工人都不能沾酒,稍一接触酒精就会满面通红,心跳加速,甚至会神志模糊。

1937年,一个名叫E. E.
Williams的驻厂医生指出,可能就是橡胶厂里大量使用的双硫仑引起了这些症状。Williams医生认为,双硫仑或许可以用来帮人戒酒 \[2\]。然而很遗憾的是,Williams医生也没有太大名气,他的文章也没有引起太多关注。

但这都没有阻止双硫仑的逆袭。在Williams医生的研究之后几年,哥本哈根大学的Erik
Jacobsen在研究双硫仑时,再一次发现了双硫仑与酒精对人体的影响。他发现,双硫仑抑制了在酒精代谢过程中极为重要的乙醛脱氢酶,导致酒精代谢产生的乙醛在人体内大量积累,于是出现类似酒精中毒的反应。在Jacobsen的努力下,双硫仑被开发成了一款戒酒药物,取名“安塔布司”,取“戒除滥用(酒精)”之意。

vnsr威尼斯城官网登入 21950年代时的Erik
Jacobsen(右)与他当时的合作者Hald(左)。图片来源: quitalcohol.com

六十多年后,戒酒药双硫仑再一次逆袭——多个研究发现,双硫仑竟然有抗癌作用!可以杀灭乳腺癌、前列腺癌等多种肿瘤细胞\[4-6\]。而长达60多年的“戒酒药历史”,证明双硫仑十分安全,它的副作用相比大多数肿瘤的化疗药物来说小得多了。

但是,双硫仑为什么能够抗癌呢?

最早的一些文献认为,可能由于双硫仑抑制了细胞里的“垃圾回收站”——“蛋白酶体”\[7\]。当细胞需要清理掉某些蛋白质时,会用一种称为泛素的分子给这些废弃的蛋白质先做个标记,然后,蛋白酶体会接收这些有泛素标记的蛋白质,把它们分解成为小片段回收利用。蛋白酶体对于肿瘤细胞至关重要,它一方面可以降解细胞合成的蛋白质“残次品”,另一方面也会降解一系列被称为“抑癌基因”的蛋白产物(例如如p53,Rb等等),从而促进癌细胞的无限增殖。正因为此,蛋白酶体抑制剂,比如硼替佐米,已经被开发为化疗药物。

vnsr威尼斯城官网登入 3蛋白酶体会接收被“泛素”标记的蛋白质,并把它们降解。如果抑制蛋白酶体的活性,那么肿瘤细胞就会难以生存。图片来源:参考文献[3]
| 翻译:云销雨霁

然而最新的研究发现,双硫仑还有更多惊喜。最近,来自捷克的Zdenek
Skrott等人在《自然》(Nature)杂志上发表了他们新的发现——双硫仑并没有直接抑制蛋白酶体,而是使用了一种全新的抗癌机制\[8\]

研究人员首先分析了双硫仑在体内抗癌的有效成分。很多药物在体内都会经过代谢,转化为一系列代谢产物,因此真正有活性的抗癌成分,不一定是药物本身。双硫仑在体内会被分解成为一种名叫DTC的化合物,而DTC可以牢牢地结合铜离子,形成一个络合物。研究人员发现,在小鼠的肿瘤内部,DTC-铜络合物(CuET)的含量显著高于其他正常组织,所以他们推测,CuET很可能与抗癌相关。进一步的实验发现,给小白鼠直接服用CuET就可以起到治疗癌症的作用,说明CuET应该就是双硫仑在体内代谢后,能够有效抗癌的活性产物。

vnsr威尼斯城官网登入 4双硫仑的代谢产物。左边分别是DTC,双硫仑(DSF)和铜络合物(CuET)的化学分子式。右图展示的是,在给小鼠服用双硫仑(黑色点),或者双硫仑+葡萄糖酸铜时(红色点),肿瘤组织里CuET含量显著高于肝脏、脑和血清。图片来源:参考文献[8]

然而继续深入的实验又发现,在肿瘤细胞中,双硫仑的代谢产物CuET并没有影响蛋白酶体的活性,但是被泛素标记的蛋白却出现了异常积累。研究人员决定跟踪这些被泛素标记了的蛋白的动向。在细胞生物学中,常用一种被称为“荧光漂白后恢复”(FRAP)的方法来跟踪荧光分子的运动。在这个方法中,首先用一束强激光照射细胞的一个小区域,“漂白”这个区域中的荧光蛋白,让这些蛋白不再有荧光。“漂白”之后,当细胞中其他区域的荧光蛋白再次扩散进入被漂白的区域时,被漂白区域的荧光就会逐渐恢复。荧光恢复所需的时间,就反映了荧光分子的扩散速率——恢复越快,扩散运动越快。蛋白的扩散运动,会受到与它结合的组分的影响,当扩散速率出现异常时,往往说明蛋白之间的相互作用受到了影响。

实验人员使用绿色荧光蛋白标记了泛素,这样所有被泛素标记的蛋白都会有绿色荧光。在随后的荧光漂白与恢复中,用CuET处理过的细胞,荧光恢复需要格外长的时间,说明CuET抑制了泛素标记的蛋白运动。一个蛋白被泛素标记后,只是相当于是被打上了“报废处理”的标签,如果说蛋白酶体是细胞的“垃圾回收站”,那么还需要有一系列“蛋白垃圾收集车”把这些需要处理的蛋白送进蛋白酶体,然后才能开始降解回收的工作。

细胞里面的“垃圾收集车”有很多种,p97复合体(p97-NPL4-UFD1)就是十分重要的一种
。研究人员使用这个复合体的抑制剂NMS873处理细胞,发现了与用CuET处理细胞时相似的现象——荧光恢复也变慢了。所以推测,CuET就是影响了这些“垃圾收集车”的工作,导致那些被泛素标记出的蛋白只能原地等候,于是扩散运动减缓了,漂白后的荧光恢复也就需要更长的时间了。

vnsr威尼斯城官网登入 5荧光漂白与恢复实验。细胞内泛素化蛋白都有荧光标记。当图中蓝色小方框内的荧光被漂白后,对照组(DMSO)或者用蛋白酶体抑制剂(BTZ)处理的细胞,方框内的荧光会快速恢复,但是用
CuET或是p97
复合体抑制剂(NMS873)处理过的细胞,荧光需要很久才能恢复,细胞上一直有一个黑色的方框。右侧的图显示是方框内荧光强度随时间的变化。图片来源:参考文献[8]

无论是抑制蛋白酶体这个“蛋白垃圾回收站”的工作,还是抑制p97复合体这个“垃圾收集车”,最终都会影响泛素标记蛋白的降解。这些被标记的蛋白中,很大一部分是细胞生产的蛋白质“残次品”,如果这些“残次品”积累起来,会严重影响细胞的生理活动,激发细胞的“应激反应”(stress
response),最终影响细胞的生存。对于肿瘤细胞来说,因为细胞代谢格外旺盛,所以也会产生比普通细胞更多的蛋白质“残次品”,CuET抑制了这些蛋白质“废弃物”的处理,导致大量“垃圾”堆积在肿瘤组织内,影响肿瘤细胞的正常生理活动,最终“活活被垃圾憋死”。而CuET在肿瘤组织内富集的特点,又使得肿瘤细胞受到了额外伤害。这就是戒酒药双硫仑能够比较有选择性地杀灭肿瘤细胞的原因。

就这样,在这一百多年的时间里,双硫仑从一个默默无闻的化合物,到称霸橡胶行业的橡胶处理剂,再到戒酒药,最后成为抗癌新星,强势逆袭。谁能想到,最开始它可能只是一个小实验室的“灌水之作”呢?(编辑:明天)

特别提醒
双硫仑的抗癌作用还处于试验阶段,想真正用于癌症治疗,还需要大量的临床试验和评估。而且双硫仑属于处方药,服用需遵医嘱,也可能出现严重的副作用。所以,尽管研究成果喜人,请不要盲目尝试。

参考文献:

  1. Grodzki, M. Ueber äthylirte Sulfoharnstoffe. Ber. Dtsch. Chem. Ges.,
    (1881),14: 2754–2758. 
  2. E. E. Williams, “Effects of Alcohol on Workers with Carbon
    Disulfide,” J. Am. Med. Assoc., (1937), 109, 1472-1473.
  3. Molineaux, Susan M. “Molecular pathways: targeting proteasomal
    protein degradation in cancer.” Clinical Cancer Research 18.1
    (2012): 15-20.
  4. Pantziarka, P. et al. The repurposing drugs in oncology (ReDO)
    project. E cancer medical science 8, 442 (2014).
  5. Iljin, K. et al. High-throughput cell-based screening of 4910 known
    drugs and drug-like small molecules identifies disulfiram as an
    inhibitor of prostate cancer cell growth. Clin. Cancer Res. 15,
    6070–6078 (2009).
  6. Cvek, B. Nonprofit drugs as the salvation of the world’s healthcare
    systems: the case of Antabuse (disulfiram). Drug Discov. Today 17,
    409–412 (2012).
  7. Chen, D., et al. Disulfiram, a clinically used anti-alcoholism drug
    and copper-binding agent, induces apoptotic cell death in breast
    cancer cultures and xenografts via inhibition of the proteasome
    activity. Cancer Res. 66, 10425–10433 (2006).
  8. Skrott, Z., et al. Alcohol-abuse drug disulfiram targets cancer via
    p97 segregase adaptor NPL4. Nature. (2017).

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