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1、微管蛋白及相关抗肿瘤药物,教授：冯冰虹,红色荧光显示微丝、绿色显示微管、蓝色显示细胞核,微管,微丝,中等纤维,（微梁网络）,细胞质骨架包括：微管、微丝、中等纤维,微管的主要功能,1)构成细胞的网状支架并维持细胞的形态。2)参与细胞的运动。3)参与细胞器的定位及位移。4)参与细胞内物质运输。5)参与信息传递。,第一节 微管（microtubule）,一、微管的形态与结构,5-9nm,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,横断面上看：,微管是由13根原纤维纵向围绕而成。,从组成成分来看：由微管蛋白构成。,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,GTP（GDP)结合位点,与秋水仙素、长春
2、新碱结合的位点,镁离子和钙离子的结合位点,r微管蛋白：对微管的极性的确定有着重要作用。,1.结构（1）微管蛋白（tubulin）微管蛋白微管蛋白微管蛋白-微管组织中心（MTOC）,异二聚体原纤维微管（极性结构）,GTP,GTP-GDP,13,13+10,13+10+10,（2）微管 类型单微管（13）：二联微管（13+10）（纤毛、鞭毛）三联微管（13+10+10）（基体、中心粒）,单管：由13条原纤维环绕而成，也有极少由11或15根原纤维组成，单管是细胞中微管普遍存在形式，属于不稳定管，在低温、高钙和秋水仙素作用下易降解。二联管 ：由单管A管和B管组成，其中A管由13根原纤维组成，B管由10
3、根。二联管是构成纤毛和鞭毛的周围小管，是一种运动类型的小管。对低温、钙离子和秋水仙素都比较稳定。三联管：由A、B、C单管组成，A管由13根原纤维组成，B管和C管都是10根。三联管见于中心粒和基体，对低温、钙离子和秋水仙素都稳定。,二、微管结合蛋白 microtubule-associated protein,MAP,类型：MAP-1 、MAP-2和tau蛋白，存在于神经细胞。 MAP-4在神经细胞与非神经细胞均存在 。MAP的主要功能是： 参与微管的装配； 增加微管稳定性或强度。,成核期（nucleation phase）-延迟期（lag phase）微管蛋白聚合成短的寡聚体（核心） 片状 微
4、管聚合期（polymerization phase）-延长期（elongation phase）聚合速度大于解聚速度稳定期（steady phase）：聚合速度等于解聚速度 （游离管蛋白达到临界浓度）,三、微管的装配（聚合和解聚）,微管的基本构成单位是由微管蛋白和微管蛋白组成的异二聚体，这种二聚体通过水解GTP提供能量聚合成微管。微管蛋白的聚合首先经历一个核化的过程，形成很短的微管核， 然后新的二聚体通过非共价连接的方式加到这个核的两端，进行微管的延长，最终形成由13根原纤维组成的中空管状的微管结构。在这种结构中，微管蛋白二聚体都是头尾相接，使微管形成一端以微管蛋白结尾，另一端则以微管蛋白结尾
5、的极性结构。,踏车现象-微管装配： 微管是一种能够自我组装的动态结构，能够不断地进行着聚合与解聚的动态变化，此特征称为微管的动态不稳定性。由于微管是具有极性的结构，微管两端发生聚合和解聚的速率不同，快的一端称为正极（末尾是微管蛋白），慢的一端称为负极（末尾是微管蛋白）。在体外组装的微管，有时会发生正极进行聚合而同时负极进行解聚的现象。当正极聚合的速率和负极解聚的速率相同时，微管会保持稳定的长度，这种现象被称为踏车现象。,微管的动态变化需要水解核苷酸，是一个消耗能量的过程，但对微管功能的发挥却至关重要。细胞内既需要微管进行高度的动态变化，以使得微管能快速适应细胞形态的变化、捕获细胞皮层、有丝分裂
6、染色体和细胞器等结构；又需要有相对稳定的结构以支持细胞内远距离的物质运输和维持细胞器的分布等。,有些小分子药物可以结合在微管蛋白上的特定位点，并影响微管的动态性。紫杉醇类药物可以结合于微管蛋白位于微管内壁的口袋内，补偿了微管蛋白另一侧位点上GTP水解的作用而使微管稳定，而Nocodazole则加快微管蛋白结合的GTP水解而促进微管解聚。,Nocodazole是一种常用的有丝分裂抑制剂。 Nocodazole可以和微管中的-tubulin结合，从而抑制相关的二硫键的形成，从而抑制微管的动态变化(microtubule dynamics)，抑制有丝分裂时纺锤体的功能，并破坏高尔基体的结构。 Noc
7、odazole可以诱导细胞阻滞在G2/M期，常用于诱导细胞同步化，浓度较高时可以诱导细胞凋亡。Nocodazole也被用于诱导高尔基体ministacks的形成。Nocodazole等微管合成抑制剂，可抑制微管蛋白合成，阻滞有丝分裂过程，诱导细胞凋亡。 Nocodazole： 分子量301.32，分子式为C14H11N3O3S。,微管的体外组装,1972年Weisenberg小鼠分离微管蛋白体外组装,+,-,踏 车,体外微管装配条件：,微管蛋白浓度：需高于临界浓度（1mg/ml）；GTP的供应；离子：Ca2+应尽可能除去， Mg 2+为装配所必需；温度：37异二聚体装配成微管（0解聚为异二聚体
8、）；最适PH：PH6.9；,微管组织中心(microtubule organizing center，MTOC) 是微管装配的起始点,概念：微管在生理状态解聚后重新装配的发生处称为 微管组织中心。作用：帮助微管装配过程中的成核，使微管从 MTOC开始生长。 微管在体内的装配和去组装在时间和空间上是高度有序的,微管的体内组装,细胞中MTOC的常见部位：着丝粒、成膜体、中心体、鞭毛基体均具有微管组织中心的功能。,The Orientation of Microtubules in a Cell,组装的特点,踏车模型（ Tread milling ）： （）端，MT装配而延长； （）端，MT解聚而缩
9、短。,影响微管组装的特异性药物,秋水仙素(colchicine) 阻断微管蛋白组装成微管，可破坏纺锤体结构。 紫杉醇(taxol)、重水(D2O)能促进微管的装配,并使已形成的微管稳定。但这种稳定对细胞有害。 （注：为行使正常的微管功能,微管处于动态的装配和解聚是其功能正常发挥的基础。）,四、微管的功能,（1）构成细胞内网状支架，支持和维持细胞的形态,（3）参与细胞内物质运输及细胞器的迁移与定位,（4）参与染色体运动，调节细胞分裂,（5）参与细胞内信号转导,（2）参与中心粒、纤毛中心体、鞭毛的形成,中心体：,中心粒周围无定形物质,间期：组织胞质微管形成分裂期：组织形成纺锤体,纤毛（cilia）
10、、鞭毛（flagella）,组成：质膜顶部轴丝 微管及相关蛋白微管：9组二联管+中央微管（9+2）相关蛋白：动力蛋白 连接蛋白 辐射丝基体 纤毛组织中心（ 9组三联管）,基体(basal body ),位于鞭毛和纤毛根部称为基体，是鞭毛和纤毛内部微管起源的地方。其壁由9组三联体微管构成，与中心粒相同。中心粒和基体均具有自我复制性质。,例：神经元轴突运输的类型及运输模式 色素颗粒的运输,微管依赖性马达蛋白（motor protein）驱动蛋白（kinesin） 通过结合和水解ATP，向着微管（+）极运输小泡。动力蛋白（ dynein ）,五、微管蛋白与肿瘤,细胞微管持续解聚，微管减少失去正常的聚
11、合平衡 细胞恶变肿瘤发生 因此，以细胞微管为抗肿瘤作用的靶点是开展抗肿瘤药物研究重要的方向之一。,六、微管蛋白与抗肿瘤药物,细胞内, 微管以胞质微管和纺锤体微管两种形式存在, 主要参与细胞运动、细胞器的定位、胞内物质的运输及真核细胞的有丝分裂过程。细胞进入分裂期, 其胞质微管解聚成微管蛋白后再组装成纺锤体微管。在分裂后期, 纺锤体微管牵引着姊妹染色单体从赤道面移向纺锤体的两极。在有丝分裂结束后, 纺锤体微管解聚再组装成胞质微管。因此, 这种微管蛋白/ 微管之间的动态循环( 聚合和解聚) , 为细胞正常有丝分裂所必需。若破坏此循环将致使进入有丝分裂期的细胞停止分裂, 进而延长细胞周期或诱导细胞凋
12、亡。 肿瘤细胞具有快速增殖能力, 其有丝分裂过程频繁且细胞周期明显短于正常细胞。因此, 若破坏上述的动态循环, 必将影响到肿瘤细胞的有丝分裂过程, 使其生长受到抑制停滞于G2/M 期，或者诱导肿瘤细胞的凋亡。,微管作用：参与细胞形态的维持，细胞内运动和细 胞分裂。分裂期：微管微管蛋白纺锤体（微管解聚）分裂末期：纺锤体微管（微管聚合）,微管类抗肿瘤药物 抑制微管聚合（促解聚） 抑制微管解聚（促聚合）,（一）目前已经开发出的以微管为靶点的抗肿瘤药物 当前临床上常用的以微管为靶点的抗肿瘤药分为抑制微管蛋白聚合的药物和抑制微管蛋白解聚的药物。1.抑制微管蛋白聚合的药物 1.1在微管蛋白上有一个结合位点
13、的药物 包括秋水仙碱类（秋水仙碱，秋水仙酰胺）和鬼臼毒素类药物鬼臼噻吩苷（鬼臼甲叉苷，Teniposide，替尼泊苷，VM-26，vumon，威猛），鬼臼乙叉苷 （Etoposid，依托泊苷，足叶乙苷，VP-16，VP-16-213）。 鬼臼毒素类药物虽能与微管蛋白结合，抑制微管蛋白聚合，但其主要作用是 抑制DNA拓扑异构酶的DNA断裂后重新连接反应，阻制细胞周期于G 2 期。目 前已被列入拓扑异构酶抑制剂。 1.2 在微管蛋白上有2个结合位点的药物 即长春花生物碱类（长春花碱，长春新碱，长春花碱酰胺，去甲长春花碱） 和美登素。2 .抑制微管蛋白解聚的药物 紫杉类药物，如紫杉醇（Taxol）和
14、多西紫杉醇（Docetaxel。目前惟一发现并 应用于临床的促进微管聚合、抑制微管解聚的药物。,（二）微生物来源的抗肿瘤药 1. 天然抗癌产物Epothilones Epothilones（埃波休隆） Daniel M.Bollag等为了寻求具有微管蛋白活性的化合物而对许多植物，水生生物，昆虫与许多发酵提取物进行筛选研究时，从Sorangium cellulosum（纤维素堆囊菌）菌株SMP44的发酵提取物中发现的、具有促进GTP依赖性微管蛋白聚合成微管的有效活性的物质。 2. cryptophycin（CP） CP的最初开发是作为抗真菌药的，是Schwartz等从蓝藻的培养物中提取获得的，后
15、来又从其他的菌种中分离得到同样结构的化合物。CP是一个脂溶性化合物，结构复杂，但现在已经能够用化学方法全合成。 CP的作用机制很复杂，能抑制纯微管蛋白组装成微管，能防止微管蛋白变性，还能阻止 3 H长春花碱与微管蛋白的结合，以及抑制微管蛋白对- 12 pGTP的水解，表明CP直接作用于微管蛋白。其与微管蛋白作用时，细胞内不存在其他的调节蛋白起介导作用。 3. Discodermolide（DC）和 Laulimalide DC是1990年从海绵动物Discodermia dissoluta中分离得到的多羟基内酯化合物，是紫杉醇与微管蛋白结合的竞争性抑制剂。DC已用于临床一期试验。 Laulim
16、alide是1999年Mooberry等从海绵Cacospongia mycofijiensis，Fasciospongia rimosa和Hyattella sp中发现的具有促进微管稳定的化合物。,（三） 抗肿瘤喹诺酮类药物 喹诺酮类药物是作为抗菌药应用于临床的，近年发现其有抗肿瘤的活性。其中2-芳基取代喹诺酮类化合物是新的一类作用于微管蛋白的抗肿瘤化合物。这些化合物在体外人体肿瘤细胞系（HTC）分析和体内异种移植试验中都表现出强的细胞毒性，而且对微管蛋白聚合作用均呈强烈抑制作用，IC 50 与那些强抗有丝分裂的天然产物的IC 50 相当。 如2-苯基-4-喹诺酮类化合物 、2-苯基-1，8
17、-二氮杂萘-4-酮类 和1，2，3，4-四氢-2-苯基-4-喹诺酮类化合物等 。（四）其他 1.Combretastatin A-4 、combretastatin A-4 phosphate与combretastatin A-4类似物 药理实验结果表明，能与微管蛋白结合并抑制微管蛋白的聚合，对人类的肿瘤细胞表现出明显的细胞毒活性。 2.中药复方 2.1 AC960（扶正抗癌方） AC960由莪术、白术、苦参、白花蛇舌草等药味组成。王昌俊等通过动物实 验，观察其对微管蛋白聚合-解聚活性的影响，结果显示:AC960能明显抑制微管蛋 白的聚合，其作用略弱于秋水仙碱。 2.2 益气活血中药复方 益气活血中药复方由黄芪、白术、当归、川芎、红花、莪术、地龙组成。李萍 萍等发现其抑制人胃癌BGC-823细胞的增殖与改变其细胞周期时相分布有关。该复 方组G 2 +M期细胞数明显增多。微管蛋白的观察结果显示复方组微管骨架明显改进。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
