【化学生物学】锰配合物诱导DNA损伤有助于激活cGAS-STING信号通路- 大数跨境

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2023-05-11

导读：南京大学王晓勇教授研究团队最近报道了两种多功能锰（II）配合物MnPC和MnPVA，其中1,10-邻菲啰啉作为DNA嵌入剂有利于DNA损伤，丙戊酸作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂可阻碍DNA损伤修复，它们与

环磷酸鸟苷-腺苷合成酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）是体内感受细胞质DNA的重要信号通路。激活cGAS-STING通路能影响下游一系列免疫相关事件，如刺激和募集TANK-结合激酶1（TBK1）和干扰素调节因子3（IRF3）、诱导I型干扰素（IFN-I）、促炎因子IL-6和TNF-α的分泌和释放、促进树突状细胞（DC）成熟和迁移、交叉启动肿瘤特异性T细胞等，由此可以调节先天及适应性免疫反应。由于该通路在抗肿瘤免疫中发挥重要作用，因此是肿瘤免疫治疗的重要靶点。

锰是人体内重要的微量元素，参与许多生理过程。新近研究表明，Mn²⁺可以增强cGAS的灵敏度，并触发第二信使cGAMP的产生，从而增强STING和cGAMP之间的亲和力。然而，激活cGAS-STING通路需要高剂量的Mn²⁺，但是高浓度的Mn²⁺会引起神经毒性和心血管毒性，所以其医学应用受到很大限制。锰配合物具有较高的生物稳定性和惰性，可以降低游离Mn²⁺的系统毒性，使其治疗肿瘤的潜力得以充分发挥。

南京大学王晓勇教授研究团队最近报道了两种多功能锰（II）配合物MnPC和MnPVA（图1），其中1,10-邻菲啰啉（P）作为DNA嵌入剂有利于DNA损伤，丙戊酸（VA）作为组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂可阻碍DNA损伤修复，它们与锰形成配合物可以加强DNA损伤效果，并激活抗肿瘤免疫反应，实现以化学免疫机制治疗肿瘤的目的。

图1. MnPC和MnPVA的化学结构和晶体结构

一方面，MnPC和MnPVA通过嵌入和氧化作用损伤细胞核或线粒体DNA，而且作为HDAC和PARP抑制剂阻止DNA损伤修复，从而增强DNA损伤（图2），直接诱导肿瘤细胞凋亡，产生较强的细胞毒活性（表1）。

图2. 化合物（6 µM）与MDA-MB-231细胞孵育24 h后细胞内DNA双链断裂标志蛋白γ-H2AX（A）、孵育48 h后细胞内DNA修复相关蛋白HDCA1/2（B）和PARP1（C）的表达。

表1. 化合物对不同细胞的毒性（IC₅₀，µM，72 h）

另一方面，由于MnPC和MnPVA能有效损伤DNA，增加细胞质中DNA片段的含量，从而促进肿瘤细胞和免疫细胞中cGAS-STING通路的激活及下游TBK1和IRF3的上调（图3），启动了固有免疫应答和肿瘤细胞与邻近免疫细胞之间的双向交流。

图3. MDA-MB-231细胞（A）和THP-1细胞（B）分别与6 µM和3 µM化合物孵育24 h后cGAS-STING通路相关蛋白的表达及蛋白相对含量。

激活的TBK1和IRF3转位到细胞核，诱导产生IFN、IL-6和TNF-α，它们从细胞核分泌到细胞质和肿瘤微环境中，促进DC和巨噬细胞成熟和抗原提呈，并诱导巨噬细胞由促肿瘤M2表型向抗肿瘤M1表型极化，刺激细胞毒性T细胞（图4）杀伤肿瘤细胞。

图4. 化合物（1.3 mg Mn kg^‒1）治疗4T1荷瘤小鼠16天后，肿瘤组织中CD8⁺ T（蓝框）和CD4⁺ T（红框）细胞的表达（A）及CD8⁺ T细胞中CD69⁺亚群的表达（B）。

由于1,10-邻菲啰啉和丙戊酸配体使配合物的DNA损伤能力增强，从而提高了MnPC和MnPVA激活cGAS-STING通路的能力，使其表现出比Mn²⁺更强的免疫活性和抗肿瘤活性，显示出作为肿瘤化学免疫治疗剂的巨大潜力（图5）。

图5. 化合物（1.3 mg Mn kg^‒1）对4T1荷瘤小鼠的治疗作用。（A）16天后肿瘤图像，（B）肿瘤体积，（C）肿瘤重量，（D）小鼠体重。

锰配合物不仅通过损伤DNA直接杀死肿瘤细胞，也通过激活免疫反应间接杀死肿瘤细胞，具有化学免疫协同治疗的特点，其作用机制概括如下（图6）。

图6. 锰配合物损伤DNA、激活抗肿瘤免疫反应的作用机制

以上结果表明，在肿瘤细胞和免疫细胞中，MnPC和MnPVA对cGAS-STING信号通路的刺激能力远高于MnCl₂或Mn²⁺，因为它们能诱导产生更多的DNA碎片释放到细胞质中，激活cGAS-STING通路。所以，通过构建具有损伤DNA或阻断修复DNA损伤功能的锰配合物可以获得更有效的cGAS-STING激动剂。

该论文发表在Chem. Sci.，第一作者是南京大学生命科学学院博士生蔡林祥，通讯作者是南京大学医药生物技术国家重点实验室王晓勇教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Manganese(II) complexes stimulate antitumor immunity via aggravating DNA damage and activating cGAS-STING pathway

Linxiang Cai, Ying Wang, Yayu Chen, Hanhua Chen, Tao Yang, Shuren Zhang, Zijian Guo, Xiaoyong Wang

Chem. Sci., 2023, 14, 4375–4389, DOI: 10.1039/d2sc06036a

导师介绍

王晓勇

https://www.x-mol.com/groups/Wang_Xiaoyong

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