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善良的力量，PAC-1(procaspase activating compound 1)让癌细胞“自杀”
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PAC-1，procaspase activating compound 1，半胱天冬酶-3酶原激活复合物。 Nature Chemical Biology 2, 543-550 (2006) Small-molecule activation of procaspase-3 to caspase-3 as a personalized anticancer strategy Karson S Putt1, Grace W Chen2, Jennifer M Pearson2, Joseph S Sandhorst2, Martin S Hoagland3, Jung-Taek Kwon4, Soon-Kyung Hwang4, Hua Jin4, Mona I Churchwell5, Myung-Haing Cho4, Daniel R Doerge5, William G Helferich3 and Paul J Hergenrother1,2 Abstract Mutation and aberrant expression of apoptotic proteins are hallmarks of cancer. These changes prevent proapoptotic signals from being transmitted to executioner caspases, thereby averting apoptotic death and allowing cellular proliferation. Caspase-3 is the key executioner caspase, and it exists as an inactive zymogen that is activated by upstream signals. Notably, concentrations of procaspase-3 in certain cancerous cells are significantly higher than those in noncancerous controls. Here we report the identification of a small molecule (PAC-1) that directly activates procaspase-3 to caspase-3 in vitro and induces apoptosis in cancerous cells isolated from primary colon tumors in a manner directly proportional to the concentration of procaspase-3 inside these cells. We found that PAC-1 retarded the growth of tumors in three different mouse models of cancer, including two models in which PAC-1 was administered orally. PAC-1 is the first small molecule known to directly activate procaspase-3 to caspase-3, a transformation that allows induction of apoptosis even in cells that have defective apoptotic machinery. The direct activation of executioner caspases is an anticancer strategy that may prove beneficial in treating the many cancers in which procaspase-3 concentrations are elevated. 1、Department of Biochemistry, University of Illinois, Urbana, Illinois 61801, USA. 2、Department of Chemistry, University of Illinois, Urbana, Illinois 61801, USA. 3、Department of Food Science and Human Nutrition, University of Illinois, Urbana, Illinois 61801, USA. 4、Laboratory of Toxicology, College of Veterinary Medicine and Nano Systems Institute-National Core Research Center (NSI-NCRC), Seoul National University, Seoul 151-742, South Korea. 5、US Food and Drug Administration, National Center for Toxicological Research, Jefferson, Arkansas 72029, USA. 2006年岁末，美国《自然·化学生物》杂志上刊登了一则激动人心的科技成果：美国科学家保罗·赫根罗德博士领导的研究小组首次启动癌细胞“自杀”方案，在不损伤人体正常细胞的情况下，完成了肿瘤细胞的“自取灭亡”! 到目前为止，人类治疗癌症的方式都无法离开化疗。但大多数化疗药物在杀伤癌细胞的同时，对正常的组织细胞也具有一定杀伤力，患者轻则皮疹、脱发，重则引发肝、肾脏毒性。美国伊利诺伊州立大学基因生物学专家保罗·赫根罗德博士正是在目睹自己的一位导师和一位学生饱受化疗之苦后，因为一个善良的心愿，找到了这样一种全新的治癌手段：它通过启动癌细胞自身的“自杀”机制，让癌细胞在23小时内全部程序性死亡，而不破坏人体正常细胞。这项科学技术对人类的健康无疑是一个激动人心的福音，它将引领人类步入一个全新的癌症安全疗法时代。 能不能没有痛苦，善良的愿望催生伟大的想法 今年39岁的保罗·赫根罗德是美国伊利诺伊州立大学生物化学系教授，在基因工程研究方面有着卓越的建树。十年前他曾在美国纽约大学攻读博士学位，他的导师是纽约大学著名的基因科学家安尼塔·弗南德泽。来到美国伊利诺伊大学任教后的赫根罗德，一直和导师保持着紧密的联系．两人既是师生，又情同父子。 2003年8月21日是弗南德泽教授60岁的生日，赫根罗德一大早就驱车前往纽约祝贺。在此之前，赫根罗德因为自己领导研究的一项人工合成小分子工程进入关键时期，跟导师之间已有两年没有见面，两人只是在一些特别的日子里通过电话相互问候。 21日中午12时，赫根罗德准时抵达了弗南德泽教授的府第。一见之下，赫根罗德大吃一惊：两年未见的导师竟然像苍老了十岁!原来，弗南德泽教授一年前被查出患有直肠癌，手术后一直在纽约大学医学院坚持化疗。正是频繁的化疗，导致了弗南德泽教授免疫功能受到抑制，口腔长期溃疡，影响进食，体重迅速下降，如今已是骨瘦如柴。得知实情的赫根罗德一把拥住导师，心如刀绞般剧痛，他在心里暗暗发誓，一定要找到一条途径，让亲爱的导师尽快脱离苦海。 当时RNAi(RNA干扰)现象是世界各国有实力的实验室都关注的热点，因为只需提供很微量的双链 RNA，就可以关闭特定的基因，让其保持沉默，从而为用基因手段让癌细胞不再危害人体在理论上提供了可能。但当时，这种新颖的治癌手段尚未突破准确性的瓶颈，即能关闭致病基因的双链RNA没法准确无误地作用到致病基因上。回到伊利诺伊大学后，赫根罗德一边继续原来的实验项目，一边成立了一个新的研究小组，专门研究双链RNA的“靶向性”。 赫根罗德的研究小组由他亲自带的两个博士生和四个硕士生组成。2004年1月，他最器重的一个女弟子，28岁的凯瑟琳·佩特森一直持续低烧。1月17日，凯瑟琳突然在实验室昏迷，她的同事迅速将她送往伊利诺伊州立医院，医院全面检查后的诊断结果竟是凯瑟琳·佩特森患有急性白血病! 尽管科研压力巨大，但赫根罗德几乎每天都要抽出一到两个小时的时间去医院看望凯瑟琳。经过最先进的放疗手段，凯瑟琳的病情在最短的时间内得到了控制，但是她的一头引以为荣的美丽金发却不见了，曾经光洁嫩白的脸庞上布满了一颗颗暗红的小皮疹。射线在伤害癌细胞的同时，也伤害到了凯瑟琳的美丽。 对一个年轻的未婚女孩来说，美丽比生命更重要。凯瑟琳每次望向镜中的自己，都痛苦流泪。凯瑟琳的绝望让赫根罗德非常伤心，善良的他为自己的无能陷入了巨大的痛苦中。为什么对付癌细胞，就只能借助外在的杀伤力，让癌细胞和正常细胞“两败俱伤”呢?为什么不能让癌细胞自己解决死亡的问题呢? 就是这善良的一念，突然让赫根罗德心中闪过一线灵光：健康的细胞在出问题的时候都有自我毁灭的功能，那癌细胞更是一种出了问题的病态细胞，它会不会也暗藏了“自杀”功能呢?如果癌细胞能够自杀，自行死亡，那不就不需要借助外力消灭它们了吗?这个想法令赫根罗德非常激动，他已经看到了让亲爱的导师和心爱的学生摆脱痛苦的一线曙光! 两年找到“诱杀因子”，这分明是善良的力量 在此之前，科学家已经发现，人体所有的细胞都含有一种叫做procaspase一3的蛋白，这种蛋白平时处于抑制状态，但是一旦人体细胞遭到破坏，这种蛋白的功能就会被激活，在健康细胞里转化为一种名叫caspas一3的活性酶，正是这种功能独特的酶，能够启动缺陷细胞的“死亡程序”，导致有缺陷的或危险的细胞凋亡，从而保护人体的健康。但是为什么癌细胞作为一种确缺陷的细胞，它不会自动进入“死亡程序”呢?难道是癌细胞中不含有procaspase-3蛋白吗? 此后，赫根罗德领导的基因实验小组改变了研究方向，专门研究癌细胞内的procaspase一3蛋白含量和 caspase-3酶的转换机制。他们与纽约大学医学院和伊利诺伊州立医院肿瘤科合作，由两家医院提供活体癌细胞，他们则操作具体的实验过程。不久，赫根罗德便发现，在结肠癌、皮肤癌、肝癌和白血病细胞中， procaspase一3蛋白的含量竟然比正常细胞的含量水平都高!那问题究竟出在哪里呢?难道是procaspase-3蛋白在癌细胞里转化为caspase-3酶的过程受阻? 果然，在对大量癌细胞进行显微化学分析后，没有在癌细胞内发现caspase-3酶。这就是说，虽然癌症患者癌细胞内的procaspase-3蛋白比正常人的正常细胞含量都高，但是却无法转化成caspase-3酶，从而无法启动癌细胞的自杀程序!为什么癌细胞内的procaspasc一3蛋白无法转化成caspase-3酶呢?反复实验后，赫根罗德终于得出结论：原来癌细胞内的procaspase一3蛋白缺乏活性!如果一个人不幸身染癌症，那么他体内那些有缺陷的细胞将无法按照正常的程序自动毁灭，因为癌细胞内的procaspase-3蛋白无法被激活。那些癌变的细胞既然无法消亡，就只有逐步分裂，最后成为体形较大的恶性肿瘤。 接下来，赫根罗德将实验的重点放在了如何激发癌细胞内procaspase一3蛋白的活性上。赫根罗德坚信存在一种化学物质，能够直接激活procaspase-3蛋白的活性。对导师和弟子的深厚感情，让赫根罗德对实验进展的速度和效果特别渴望，为了加快实验进展，他放弃了自己坚守十年的独立实验的作风，主动与美国首尔国立大学生物系和美国国立毒理学研究中心合作，共同研究这一举世瞩目的全新课题。 此后赫根罗德整天泡在实验室，废寝忘食。人类已经成功合成出来的能作用于蛋白质的小分子复合物总共有2万种之多，赫根罗德的实验室要将这2万多种复合物一一注入到癌细胞，从中找到一种能够将 procaspase-3蛋白激活的复合物。并且每一个细节都不能出错，如果漏掉一种复合物，那么前面所有的劳动都将是白费，一切都得从头开始。 如此浩瀚的工程，如此巨大的工作量，如此枯燥的一再重复，没有超常的毅力和坚定的意志是根本无法坚持下来的。但是赫根罗德不仅坚持下来了，而且只用两年时间．就完成了一般实验室需要至少5年才能完成的实验过程，并成功找到了他渴望得到的能将 procaspase-3蛋白激活的小分子复合物! 这是一种名叫PAC-1的小分子复合物，赫根罗德将少量的PAC-1用显微操作注入到从白血病患者身上提取的癌细胞后，癌细胞内的caspase-3酶含量迅速增高，这说明癌细胞内的procaspase-3蛋白成功被激活，并成功转换成了caspase-3酶!18小时后白血病癌细胞全部自己死亡!这说明，获得PAC-1的癌细胞在caspase-3酶的作用下，全部成功启动了自杀死亡程序! 2006年1月，结果出来的那一刻，赫根罗德落泪了。他等这一刻，等得太辛苦太久了!赫根罗德用最快的速度拨通了导师的电话。弗南德泽教授得知这一成果后在电话里激动得语无伦次，他不是在为自己有可能获救而激动，而是为自己学生的善良、执著和杰出而激动! 癌细胞成功自杀，这是师生相互支持的结果 此后，赫根罗德的研究小组利用培养的癌细胞和三种小鼠的肿瘤模型，来反复检测复合物的效力。实验表明，癌细胞在获得PAC-1后的23小时内全部死亡!赫根罗德又将PAC-1作用于由伊利诺伊州立医院提供的23份人体肿瘤样本，同样，实验表明，PAC-1能杀死其中所有的癌细胞! 从实验室的实验结果来看，PAC-1诱杀癌细胞的作用是毋庸置疑的。但是要真正将这一原理用于自己导师和弟子的抗癌治疗，赫根罗德还有一个致命的担心：PAC-1会不会诱使人体内的正常细胞也自杀呢?接下来，赫根罗德将实验的重点放在了活体小白鼠身上。他的研究小组让60只小白鼠分别感染上三种不同的癌症——软组织肉瘤、皮肤黑色素瘤和肺癌，然后将 PAC-1注射到这些患癌小白鼠的静脉血管内，结果发现，大部分小白鼠的细胞获得PAC-1后，癌细胞肿块都有不同程度的缩小或消失!其中百分之二十的小白鼠的肿瘤，通过检测发现已完全消失!而它们的正常细胞，则暂未发现有明显不当死亡现象! 实验结果太理想反而令赫根罗德心里很不踏实，为了尽快搞清楚PAC-1进入小白鼠体内的活动情况，他又购买了300只小白鼠，用于接种各种癌细胞和注入PAC-1的实验。在反复实验的基础上，他终于明白了PAC-1进入小白鼠体内后是如何发挥作用的。原来 PAC-1有一个特性，它只针对那些procaspase-3蛋白含量较高的细胞发挥作用。生物感染癌症后，癌细胞内的procaspase-3蛋白含量会迅速增高，而健康细胞中 procaspase-3蛋白的含量水平则极低，几乎可以忽略不计。所以PAC-1进入小白鼠体内后，它只对procaspase一3蛋白含量较高的癌细胞发生作用，诱导procaspase一3蛋白转换成caspase-3酶，启动癌细胞的自杀程序，而健康细胞则因为procaspase-3蛋白含量水平的低下，得以幸免于难! 但是为什么PAC-1对患不同癌症的小白鼠治疗效果不一样呢?将实验数据反复比较之后，赫根罗德发现，原来，所患癌症不同，癌细胞内procaspase-3蛋白的含量水平也就不同，对于procaspase-3蛋白含量越高的癌细胞．PAC-1的效果就越明显，因为皮肤黑色素瘤癌细胞内的procaspase-3蛋白含量最高，所以接种此癌症的12只小白鼠的肿瘤才得以全部消除! 明白了PAC-1的治癌机制，赫根罗德最关心的是直肠癌和白血病癌细胞中procaspase-3蛋白的含量是否维持着高水平。经过长时间的监控、观察，他发现，在所有癌细胞中，肠、皮肤、肝脏等部位的肿瘤细胞以及白血病细胞中，这种蛋白的含量都维持着最高水平!这意味着，一旦证明PAC-1进入人体是安全的，那么他的导师和他的弟子都将属于最大的受益者! 因为PAC-1对活体小白鼠健康细胞的安全不能代表对人体健康细胞的安全，赫根罗德迟迟不敢将这一成果用于老师和弟子的临床。弗南德泽教授得知情况后．立刻打来电话：“我们都是科学工作者，你应该比我更清楚，每一个科学的进步，除了伴随艰辛的劳动，还不可避免地伴随着牺牲。你不要再寻找志愿者了，就让我来冒这个险吧!说不定这是一次重生呢?这不也是你的心愿吗?”导师的理解让赫根罗德感动得热泪盈眶。他当即为自己的导师设计了最安全的治疗方案。 第二天，弗南德泽教授在助手的陪同下，从纽约赶到了伊利诺伊州。尽管此前赫根罗德已经测试过很多次PAC-l的用量，选出了一个对人体来说较安全的剂量，但当他亲自将PAC-1注射进导师体内时，手还是因紧张而不住地抖动。毕竟，PAC-1是启动细胞自杀程序的“元凶”啊!万一人体的正常细胞受到诱杀自动死亡，那将是怎样不可收拾的后果!令赫根罗德无比欣慰的是，导师接下来的反应一切正常。三天后，超声波显示，弗南德泽教授体内的增生物全部自动萎缩!一周后，这些死掉的癌细胞被人体的清洁机制顺利排出体外!而弗南德泽教授的正常细胞死亡的数量只有癌细胞的二千分之一!这个数目对人体没有任何不良后果! 最终结果出来后，赫根罗德抱着弗南德泽教授喜极而泣。这意味着，如果不出意外，弗南德泽教授将从此摆脱疾病的痛苦折磨!注入 PAC-1后，赫根罗德从他的身上提取正常细胞与肿瘤细胞进行化验比较后得出结论，癌变细胞对PAC-1的敏感程度比正常细胞要高2000倍!这一重要数据让赫根罗德大胆对凯瑟琳使用了PAC-1治疗白血病。随后的一个月内，凯瑟琳的病情很快得到了控制，但是因为白血病是全身性疾病，她没有像弗南德泽教授那样好得彻底。不过凯瑟琳依然充满崇敬和感激地对自己的导师说：“以前我控制疾病是通过射线直接损伤细胞，这让我在保住生命的同时，却失去了健康和美丽，而您为我做的，却是让癌细胞通过内在机制自己消亡，哪怕以后需要定期注射PAC-1控制病情．但至少可以让我不再承受化疗的痛苦，并让我有望恢复美丽。”停止化疗的凯瑟琳三个月内长出了金黄的头发，而停止化疗的弗南德泽教授长期的口腔溃疡很快得到痊愈。 2006年岁末，美国《自然·化学生物》杂志刊登了这一激动人心的科技成果，立刻举世震惊，医学界将这种个性化安全抗癌疗法定为未来用于临床时优先考虑的策略，因为它明显优于目前广泛使用的损伤性抗击疗法。美国《华盛顿时报》记者大卫·菲力浦了解到赫根罗德步入这一科研领域的初衷是为了解脱自己导师和学生的痛苦，并了解到赫根罗德正是在这一强烈心愿的支配下，才仅用短短两年的时间，完成了正常情况下至少需要五年才能完成的繁杂实验，他报道这项成果时，第一次在科技报道中使用了一个抒情的标题：善良的力量。 [search]pac-1，癌细胞，自杀[/search] |
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