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A comprehensive review of chemical activators and inhibitors used in cell biology research.
介绍
细胞生物学研究细胞结构、生理特性及细胞功能。它涉及到对细胞器、细胞与周围环境间相互作用、生命周期、分化及死亡的研究。细胞生物学与遗传学、分子生物学、发育生物学和生物化学等其它生物学领域是密切相关的。
图 1. 真核细胞骨架。肌动蛋白纤维显示为红色，微管为绿色，核为蓝色。肌动蛋白染色使用的是罗丹明 - 鬼笔环肽，微管使用的是连接有 Alexa488 的抗 α 微管蛋白着色剂，DNA 则使用的是 Hoechst 染料。
对于细胞生物学领域的研究者而言，为了更加全面地理解细胞的功能、细胞的信号传递以及控制细胞命运、功能及表型的胞内机制，抑制剂与激活剂是至关重要的研究工具。许多抑制剂和激活剂都被广泛用于研究细胞动力学及功能。这里我们对真核细胞中各种细胞生物学研究如细胞内吞、分泌、粘附、细胞骨架动力学、内质网和高尔基体研究中常用的抑制剂和激活剂进行了综述。
细胞骨架
细胞骨架为细胞提供了特定的结构与形状。真核细胞主要有三种细胞骨架纤维：1）微丝，2）中间丝和 3）微管。
- 微丝（肌动蛋白丝）：这是细胞骨架中最细的纤维。它们由肌动蛋白亚基的线性聚合物所组成，通过在纤维一端的伸长并伴随着另一端的收缩来产生力，从而使其间的纤维产生净移动。
- 中间丝：这种纤维的平均大小为直径 10 纳米并且比肌动蛋白丝更稳定（是紧密结合的），是细胞骨架的异质成分。中间丝负责组织细胞内部的三维结构和细胞器，是核纤层的结构性组成部分。它们也参与一些细胞 - 细胞间和细胞 - 基质间的连接过程。
- 微管：它们是直径为 23nm 的空心圆柱，大多数情况下由 13 条原纤维组成，而这些原纤维则是 alpha 微管蛋白和 beta 微管蛋白的聚合物。它们具有很高的动态活性，通过结合 GTP 来进行聚合反应并通常由中心体来组织。
| 抑制剂 | 靶点 | 机制 | 作用特点及效果 | 参考文献、来源及供应商 |
|---|---|---|---|---|
| 细胞松弛素 D（C30H37NO6） | 肌动蛋白 | 结合于肌动蛋白核和 F - 肌动蛋白的生长端，从而抑制聚合反应。诱导肌动蛋白解聚。 | 溶于 DMSO 和乙醇。抑制收缩。抑制依赖于 p -53 的细胞通路。引起 G1- S 转化过程中的细胞周期阻滞。抑制胰岛素刺激的葡萄糖转运。 | [1–3], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Tocris Bioscience, Enzo Life Science, Invitrogen, Santa Cruz Biotechnology, Cayman Chemical |
| Lantraculin A（C22H31NO5S） | 肌动蛋白 | 扰乱微丝介导的过程。与 G - 肌动蛋白单体形成 1:1 的复合物（Kd = 200 nM）。 | 溶于 DMSO 和乙醇。比细胞松弛素的抑制效果强 10-100 倍。抑制巨噬细胞的吞噬作用。比 Lantraculin B 的效果更强。 | [1–4], Invitrogen, Tocris Bioscience, Sigma-Aldrich, Cayman Chemical, Santa Cruz Biotechnology, EMD/Millipore |
| Lantraculin B（C20H29NO5S） | 肌动蛋白 | 体外反应中抑制肌动蛋白的聚合（Kd = 60 nM）。扰乱微丝的组织和微丝介导的过程。 | 溶于 DMSO、甲醇或乙醇。比细胞松弛素的抑制效果强 10-100 倍。在该复合物持续存在的情况下被血清缓慢失活并导致短暂的诱导变化。 | [5–7], Invitrogen, Sigma-Aldrich, Cayman Chemical, Santa Cruz Biotechnology, EMD/Millipore, Enzo Life Science |
| Wiskostatin（C17H18Br2N2O） | 肌动蛋白 | 选择性地抑制 N -WASP（Wiskott-Aldrich 综合症蛋白（WASp）家族成员）并抑制 Arp2/ 3 复合物的活化。该分子阻断肌动蛋白丝的组装。 | 在 DMSO 中溶解度可达 100 mM。同样抑制 PIP2诱导的肌动蛋白聚合反应(EC50 ~ 4μM)。抑制依赖于肌动蛋白的细胞功能（迁移、运输、吞噬、内褶）。 | [8–10], Affix Scientific, Enzo Life Science, Sigma-Aldrich, Tocris Bioscience |
| Mycalolide B（C52H74N4O17） | 肌动蛋白 | 它选择性地将 F - 肌动蛋白彻底解聚成 G - 肌动蛋白。与肌动蛋白以 1:1 的摩尔比进行结合（Kd=13-20 nM）。 | 溶于 DMSO、甲醇或异丙醇。抑制肌动球蛋白 ATP 酶。 | [11–13], Santa Cruz Biotechnology, Enzo Life Science |
| Nocodazole（C14H11N3O3S） | 微管 | 抑制微管的动态变化并促使微管解聚。与 β 微管蛋白结合并阻止两个链间二硫键中任意一个的形成。 | 在 DMSO 的溶解度达 10 mg/ml。有丝分裂抑制剂。将细胞周期阻滞在 G 2/ M 期。抑制各种癌症相关的激酶，包括 ABL、c-KIT、BRAF、MEK1、MEK2 和 MET。 | [14–17], Sigma-Aldrich, Tocris Bioscience, Cell Signaling Technology, EMD/Millipore |
| 长春碱（C46H58N4O9 · H2SO4） | 微管 | 解聚微管。与微管蛋白结合并诱导其自缔形成螺旋形聚合体，抑制微管组装。 | 溶于水和甲醇。通过阻断有丝分裂纺锤体的形成将细胞周期阻滞于 G2/ M 期。在一些肿瘤细胞系中诱导凋亡。抑制自噬体的成熟。 | [16, 18, 19], Sigma-Aldrich, Tocris Bioscience, EMD/Millipore, Santa Cruz Biotechnology。 |
| 秋水仙碱（C22H25NO6） | 微管 | 与微管蛋白结合并阻止其聚合 | 在乙醇中溶解度达 50 mg/ml，在水中溶解度可达 100 mM，DMSO 中溶解度可达 100 mM。有丝分裂抑制剂。在一些正常的及癌症细胞系中诱导凋亡 | [20–22], Sigma-Aldrich, Tocris Bioscience, EMD/Millipore |
| 长春新碱（C46H56N4O10 · H2SO4） | 微管 | 能与微管蛋白结合并抑制微管形成的吲哚生物碱。解聚微管。 | 溶于甲醇和水。延迟细胞周期的进程。在人类淋巴瘤细胞中诱导凋亡。 | [23–25], Sigma-Aldrich, Tocris Bioscience, EMD/Millipore, Santa Cruz Biotechnology。 |
表 1 . 常用的细胞骨架抑制剂。
| 激活剂 | 靶点 | 机制 | 作用特点及效果 | 参考文献、来源及供应商 |
|---|---|---|---|---|
| Jasplakinolide（C36H45BrN4O6） | 肌动蛋白 | 在体外诱导肌动蛋白聚合及稳定。在 体内 同样诱导肌动蛋白单体聚合成 F - 肌动蛋白。 | 在 DMSO 中溶解度 >2 mg/ml。一种具有杀菌、杀虫、抗癌特性的环羧酚酸肽。无荧光且具有细胞透性的 F - 肌动蛋白。 | [26–29], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Santa Cruz Biotechnology, Invitrogen, Tocris Bioscience |
| 紫杉醇（Taxol）（C47H51NO14） | 微管 | 结合于 β - 微管蛋白的 N 端，促进微管组装并抑制微管蛋白分解 | 溶于 DMSO 和甲醇。抗肿瘤和抗白血病试剂。将细胞周期阻止于 G2/ M 期。导致异常的有丝分裂并且有时会引起凋亡。 | [30–32], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Cell Signaling Technolgy, Cytoskeleton Inc. |
| 鬼笔环肽（C35H48N8O11S） | 肌动蛋白 | 与聚合的 F - 肌动蛋白结合并保持其稳定，防止解聚的发生（F- 肌动蛋白转变为 G - 肌动蛋白） | 溶于乙醇和甲醇。从真菌中分离出的有毒双环七肽。干扰富含肌动蛋白的结构行使功能。鬼笔环肽的偶联物被用作确认纤维状肌动蛋白的探针。 | [33–35], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Tocris Bioscience, Santa Cruz Biotechnology, Enzo Life Science |
表 2 . 常用的细胞骨架激活剂。
内质网
内质网（ER）是真核生物中一种会形成互连的膜囊泡网络的细胞器。它参与了细胞物质的合成、修饰和运输。它从细胞膜开始伸展，经过细胞质，一直与核膜相连。取决于细胞类型、细胞功能和细胞需求，内质网具有多种不同的功能。在结构与功能上，它由两种区域组成。
- 粗面内质网：它是一系列扁平状囊泡且胞浆侧由核糖体组成。核糖体是细胞中的蛋白质合成位点。粗面内质网加工膜及分泌蛋白，在某些白细胞中产生抗体，而在胰腺细胞中产生胰岛素。其它功能还包括组装过程中的起始 N - 糖基化和溶酶体酶的加工。
- 滑面内质网：它是一个光滑的微管网络并且不包含核糖体。它通常与粗面内质网相连，是那些负责将内质网产物运输到不同位点的囊泡的过渡区域。它具有多种功能，包括脂质合成、碳水化合物代谢、钙离子浓度调节、药物解毒和受体附着到细胞膜蛋白。在肌肉中，滑面内质网辅助肌肉细胞的收缩，在脑细胞中则合成雄性和雌性荷尔蒙。
内质网应激：内质网介导的蛋白折叠一旦失衡就会引起内质网应激。内质网的应激信号传导通路或应激响应被称作未折叠蛋白反应（UPR）。最初的 UPR 只是尝试通过停止蛋白翻译并激活可增加参与蛋白折叠的分子伴侣的信号通路来恢复细胞的正常运作。当 UPR 的这种初始尝试失败而扰乱还在持续的情况下，UPR 就会开始诱导凋亡。
下面提到的抑制剂是用于抑制内质网功能或诱发内质网应激的，而提到的激活剂则用于诱导内质网功能或抵抗内质网应激的：
| 抑制剂 | 靶点 | 机制 | 作用特点及效果 | 参考文献、来源及供应商 |
|---|---|---|---|---|
| Eeyarestatin I（C27H25Cl2N7O7） | 内质网相关蛋白降解（ERAD） | 靶向 p97 相关的去泛素化过程（PAD）并抑制依赖于 ataxin-3（atx3）的去泛素化过程。抑制内质网中 Sec61 介导的蛋白质转运。 | 在 DMSO 中溶解度达 100mM，在乙醇中溶解度达 5mM。在淋巴样细胞系、BJAB、HBL-2、JEKO-1、Jurkat、KMS-12、MINO 以及慢性淋巴细胞白血病中的原代白血病细胞中诱发细胞毒性。通过促凋亡蛋白 NOXA 诱导细胞死亡。 | [36–40], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Tocris Bioscience, Santa Cruz Biotechnology |
| DBeQ（C22H20N4） | 内质网相关蛋白降解途径 | 以可逆且 ATP 竞争性的方式（Ki = 3.2 μM）抑制 ATP 酶 p97 活性（对于野生型或 C522A p97 的 IC50 = 1.6 μM） | DMSO 中溶解度达 100 mM。在 RPMI8226、HeLa 和 HEK29 细胞中抑制细胞增殖。抑制 caspase 3/ 7 活性及凋亡。 | [41, 42], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Tocris Bioscience, BioVision Inc. |
| Xestospongin C（C28H50N2O2） | 血管舒缓激肽和内质网的钙外流 | 可逆地抑制内质网钙库中的血管舒缓激肽 - 和氨甲酰胆碱 -Ca2+外流。 | 溶于 DMSO、乙醇和甲醇。大环双 -1-oxaquinolizidine 的合成形式。具有膜通透性。可逆地抑制 IP3受体。 | [43–45], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Cayman Chemicals, Tocris Bioscience |
| Kifunensine（C8H12N2O6） | 内质网相关蛋白降解（ERAD） | 抑制内质网相关的甘露糖苷酶活性。 | 水（双蒸热水）中溶解度达 50 mM。生物碱化合物。选择性抑制负责加工 I 类糖蛋白的 α - 甘露糖苷酶。 | [46, 47], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Cayman Chemicals, Tocris Bioscience, Santa Cruz Biotechnology. |
| 衣霉素（C39H60N4O16） | 蛋白折叠 | 诱导内质网应激。抑制 N - 糖基化并阻断 N - 糖苷蛋白 - 糖类键的形成。 | 溶于 DMF、DMSO 和吡啶。衣霉素 A、B、C 和 D 的混合物。引起 G 1期阻滞。抑制 N - 乙酰葡糖胺磷酸转移酶（GPT）。剂量依赖性地抑制 DNA 合成。 | [48–50], Sigma-Aldrich, Tocris Bioscience, EMD/Millipore, Santa Cruz Biotechnology。 |
| 毒胡萝卜素（C34H50O12） | 肌浆网 Ca2+ATP 酶（SERCA） | 抑制肌浆网 Ca2+-ATP 酶。抑制自噬过程并诱发内质网应激。 | 溶于 DMSO 和乙醇。可渗透细胞。诱导凋亡。被用于诱导哺乳动物细胞自噬。 | [51–53], Sigma-Aldrich, EMD/Millipore, Tocris Bioscience. |
| ERO1 抑制剂 I, Erodoxin（C7H5BrN2O5） | 内质网氧化酶 1 抑制剂 | 选择性抑制酵母内质网氧化酶 1（ERO1）。对小鼠 ERO1α（IC50 = 400 μM）抑制较弱 | 溶于 DMSO。体外抑制依赖于 ERO1 的硫氧还蛋白 -1（Trx1）氧化活性。与参与蛋白折叠、糖基化和细胞壁合成的基因聚类。 | [54], EMD/Millipore |
| 兔抗内质网蛋白 72（623-638）多克隆抗体 | 识别小鼠大脑、脾脏、睾丸和大鼠脑、肌肉、脾、睾丸组织中~72 kDa 的 ERp72 蛋白。以及人宫颈上皮细胞（HeLa）、人成纤维细胞（A431）、人胸腺细胞（Hs67）和小鼠成纤维细胞（3T3）的细胞裂解物。 | [55–57], EMD/Millipore, US Biological, Novus Biologicals. | ||
表 3 . 常用的内质网抑制剂
| 激活剂 | 靶点 | 机制 | 作用特点及效果 | 参考文献、来源及供应商 |
|---|---|---|---|---|
| 5,8,11- 二十碳三炔酸（C20H28O2） | 在 MDCK 细胞中引发 Ca2+从内质网中释放。 | 引起 Ca2+从内质网、线粒体和其它浓度达 30 μM 的钙库中释放出来 | 乙醇中溶解度达 25mg/ml，DMSO 中溶解度达 25mg/ml 或溶于二甲基甲酰胺。脂肪氧化酶的抑制剂。在较高浓度下抑制环氧合酶。 | [58, 59], Sigma-Aldrich, Cayman Chemicals, Enzo Life Sciences |
| Salubrinal（C21H17Cl3N4OS） | 防止内质网应激 | 保护细胞免受内质网应激所诱导的凋亡（EC50 ~ 15 μM）。 | 溶于 DMSO。选择性抑制使真核翻译启动因子 2 亚基 α（eIF-2α）去磷酸化的磷酸酶复合体 | [60–62], Tocris Bioscience, Santa Cruz Biotechnology, EMD/Millipore. |
| 牛磺脱氧胆酸（TUDCA）（C26H44NaNO6S） | 抵抗内质网应激 | 抑制内质网应激。 | 溶于水。被用作去垢剂来使脂质和膜结合蛋白增溶。 | [60–62], Sigma Aldrich, Santa Cruz Biotechnology, EMD/Millipore. |
表 4 . 常用的内质网激活剂。
高尔基体
高尔基体是真核细胞中的一种细胞器，是细胞内膜系统的一部分。高尔基体长约 1 μM，并由两部分组成：被称为潴泡的扁平膜囊和膜封闭的小泡。它在各种蛋白分泌前的加工过程中起着重要的作用。
高尔基体的各种功能包括：它从来自粗面内质网、含有蛋白质的囊泡处接收蛋白并进行进一步修饰。细胞合成的各种大分子在分泌前或被送到各自目的地之前，都由它负责修饰、富集、分类及包装。它通过加入糖基和磷酸基团来对蛋白修饰。它在动物细胞胞外基质的蛋白聚糖合成中起着重要作用。植物细胞壁中的多糖合成位点。
| 抑制剂 | 靶点 | 机制 | 作用特点及效果 | 参考文献、来源及供应商 |
|---|---|---|---|---|
| 1,3- 环己烷双甲胺（CBM）（C6H10(CH2NH2)2 ） | 通过高尔基体运输到质膜。 | 在体内和体外都可以抑制外被体蛋白与高尔基体膜结合以及完整细胞的分泌 | 溶于乙醇和乙醚 | [63–65], Sigma-Aldrich, Fisher Scientific |
| 布雷菲德菌素 A（BFA）(C16H24O4） | 膜运输、高尔基体 | <40 ng/ml 时在许多哺乳动物细胞系中引起高尔基体解体和内质网肿胀 | 溶于甲醇。可逆地阻断蛋白质从内质网（ER）向高尔基体的转运。高密度脂蛋白 - 介导的胆固醇外流的抑制剂。介导人肿瘤细胞凋亡。 | [66–68], Sigma-Aldrich.Alomone Labs, Tocris Bioscience, Cell Signaling Technology, EMD/Millipore. |
| Golgicide A（C17H14F2N2） | 组装和运输 | 通过结合在 Arf1 和 GBF1 Sec7 功能域间形成的界面裂缝中选择性地可逆抑制顺面高尔基体 ArfGEF GBF1。Arf 属于 Ras GTP 酶家族并介导囊泡运输。 | 溶于 DMSO（>10 mg/ml）。导致高尔基体和反面高尔基网的解体与分散。抑制可溶性的和膜结合的蛋白质分泌。 | [69, 70] Sigma-Aldrich, Tocris Bioscience, Santa Cruz Biotechnology, EMD/Millipore |
| 1-Deoxymannojirimycin（DMM）（C6H13NO4·HCl） | 糖蛋白加工 | 抑制 N - 糖基化。抑制甘露糖苷酶 I。 | 溶于乙醇和水。用于高尔基体介导的糖蛋白加工过程的研究。 | [71–73], EMD/Millipore, Sigma-Aldrich, Tocris Bioscience, Santa Cruz Biotechnology. |
表 5 . 常用的高尔基体抑制剂。
生物分子的分泌
分泌是指细胞或腺体产生和释放一种有用的物质，包括激素、酶、细胞因子和细胞外基质蛋白。该过程中物质被包装进囊泡然后以胞吐方式从细胞中分泌出来。
- 分泌途径：在真核细胞中，经典的分泌过程是通过内质网、高尔基体和其它细胞内囊泡来实现的，是一个由细胞严格调控的过程。广义上来说，要输送出去的蛋白被核糖体合成后停靠在内质网上进行转运。然后含有正确折叠的蛋白的囊泡进入高尔基体。糖基化修饰后进一步进行翻译后修饰。然后蛋白质进入分泌囊泡，沿着细胞骨架移至细胞边缘。最后一步就是囊泡在一个被称为融合孔的结构处与细胞膜融合并进行胞吐，蛋白就被释放到环境中。
- 非经典的蛋白质分泌途径：有许多蛋白不是通过牵涉到内质网和高尔基体的经典途径来分泌的，相反是利用各种不同的非经典的蛋白质分泌途径来分泌的。这些蛋白包括 FGF-1（aFGF）、FGF-2（bFGF）和白细胞介素 -1（IL1）[74, 75]。
非经典的分泌机制大致可分为两种。1) 直接使物质跨过胞质蛋白的质膜进行转运，例如 FGF2 的分泌。2) 胞内转运中间物，例如酰基辅酶 A 结合蛋白的分泌 [76]。
| 抑制剂 | 靶点 | 机制 | 作用特点及效果 | 参考文献、来源及供应商 |
|---|---|---|---|---|
| CP-10447（C16H13BrN2O） | 载脂蛋白 B（apoB）分泌 | 抑制微粒体甘油三酯转移蛋白（MTP, MTTP）并刺激 apoB 的早期内质网降解 | 溶于 DMSO（≥10 mg/ml）。抑制甘油三酯分泌而不影响其合成。人体肝脏微粒体甘油三酯转运活性的有效抑制剂。 | [77–79], Sigma-Aldrich, Pfizer |
| Exo 1（C15H12NFO3） | 胞吐 | 在哺乳动物细胞中通过诱导高尔基体膜解体和成管以及重新运输回内质网来可逆地抑制从内质网到高尔基体间的囊泡运输。 | 溶于 DMSO、DMF、甲醇或乙醇。它的影响仅限于高尔基体，不能影响其它的内吞细胞器。活化高尔基 ARF 1（ADP 核糖基化因子）GTP 酶。 | [80], Sigma-Aldrich, EMD Millipore |
| Exo 2（C18H18N4O2S） | 胞吐 | 类似于 BFA 但是选择性更强。可能的靶点包括 TGN（反面高尔基网）、高尔基体和一部分早期内涵体 | 溶于 DMSO（>20 mg/ml）。抑制志贺毒素运送到内质网。作为胞内运输的一种化学探针。 | [81–83], Sigma-Aldrich, Santa Cruz Biotechnology |
| 生长激素抑制素（C76H104N18O19S2） | 生长激素、胰岛素和胰高血糖素 | 抑制生长激素、胰岛素和胰高血糖素的内源性肽 | 溶于 5% 乙酸，水中溶解度为 0.30 mg/ml。它是一个环状十四肽。同样抑制电压门控 Ca2+通道。 | [84–
正文完
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