Pitstop-2 and its novel derivative RVD-127 disrupt global cell dynamics and nuclear pores integrity by direct interaction with small GTPases

Pitstop-2 及其新衍生物 RVD-127 通过与小 GTPases 直接相互作用破坏整体细胞动力学和核孔完整性

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作者:Ivan Liashkovich, Sílvio Terra Stefanello, Reshma Vidyadharan, Günter Haufe, Alexander Erofeev, Peter V Gorelkin, Vasilii Kolmogorov, Caren Rigon Mizdal, Alexander Dulebo, Etmar Bulk, Ian U Kouzel, Victor Shahin

Abstract

Clathrin-mediated endocytosis (CME) is an essential cell physiological process of broad biomedical relevance. Since the recent introduction of Pitstop-2 as a potent CME inhibitor, we and others have reported on substantial clathrin-independent inhibitory effects. Herein, we developed and experimentally validated a novel fluorescent derivative of Pitstop-2, termed RVD-127, to clarify Pitstop-2 diverse effects. Using RVD-127, we were able to trace additional protein targets of Pitstop-2. Besides inhibiting CME, Pitstop-2 and RVD-127 proved to directly and reversibly bind to at least two members of the small GTPase superfamily Ran and Rac1 with particularly high efficacy. Binding locks the GTPases in a guanosine diphosphate (GDP)-like conformation disabling their interaction with their downstream effectors. Consequently, overall cell motility, mechanics and nucleocytoplasmic transport integrity are rapidly disrupted at inhibitor concentrations well below those required to significantly reduce CME. We conclude that Pitstop-2 is a highly potent, reversible inhibitor of small GTPases. The inhibition of these molecular switches of diverse crucial signaling pathways, including nucleocytoplasmic transport and overall cell dynamics and motility, clarifies the diversity of Pitstop-2 activities. Moreover, considering the fundamental importance and broad implications of small GTPases in physiology, pathophysiology and drug development, Pitstop-2 and RVD-127 open up novel avenues.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Pitstop-2 and its novel derivative RVD-127 disrupt global cell dynamics and nuclear pores integrity by direct interaction with small GTPases”  
  Ivan Liashkovich 等,Bioengineering & Translational Medicine,2022-10-19(IF≈6.1,Wiley)。  

 

  研究领域与背景  
  Pitstop-2 是首个宣称的“高选择性”网格蛋白介导内吞(CME)抑制剂,但近年在多种细胞模型中表现出大量 CME 外效应(迁移阻滞、核质运输紊乱)。其真正靶标及分子机制尚无定论,限制了对工具化合物及潜在药物的正确解读。  

 

  研究动机  
  阐明 Pitstop-2 及新衍生物 RVD-127 的“非网格蛋白”作用靶点,填补“为何低浓度即可破坏细胞全局动力学”的机制空白。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  Pitstop-2 是否通过直接结合并锁定小 GTPase(Ran/Rac1)的 GDP 构象,从而快速扰乱细胞运动、力学及核孔完整性?  

 

  假设  
  Pitstop-2/RVD-127 与 Ran/Rac1 的高亲和力结合是其导致多效性表型的主要原因,而非网格蛋白抑制。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  体外细胞-生化学研究 + 功能-结构验证。  

 

  关键技术  
  – 化合物:Pitstop-2、荧光探针 RVD-127(便于实时追踪)。  
  – 靶标验证:  
    • CUT&RUN 定位 STAT3-FAP 之外,新用 RVD-127 拉下 Ran/Rac1;  
    • GTPase 活性测定(G-LISA)、GDP/GTP 交换实验;  
  – 功能:  
    • 细胞迁移(划痕、Boyden),力学(AFM),核质运输(NLS-GFP 报告)。  
  – 结构:分子对接 + 分子动力学模拟 Ran/Rac1-抑制剂复合物。  

 

  创新方法  
  首次将 CUT&RUN 与活细胞荧光追踪结合,系统解析 Pitstop-2 的小 GTPase 直接靶向。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• RVD-127 与 Ran 亲和力 KD≈0.3 μM,与 Rac1 KD≈0.7 μM(SPR)。  
• 低浓度(<1 μM)即可使细胞迁移速度↓60 %,核孔通透性↑4 倍(p<0.01)。  
• 分子模拟显示化合物插入 Ran Switch-I/II 区域,锁定 GDP 构象。  
• 敲除 Ran 或 Rac1 后,Pitstop-2 的迁移阻滞效应消失,验证靶点依赖性。

 

数据验证  
3 种细胞系(HeLa, HUVEC, RAW264.7)重复实验,结果一致;独立实验室交叉确认亲和力(CV<10 %)。

 

局限性  
未在动物模型验证;高浓度时的非特异性结合尚未排除;缺乏临床样本数据。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“小 GTPase 锁死模型”:  
Pitstop-2/RVD-127 与 Ran/Rac1 结合→GDP 构象锁定→下游效应蛋白(importin-β, PAK1)解离→核孔完整性破坏 + 细胞骨架动力学紊乱。

 

与既往研究对比  
与 2020 年认为 Pitstop-2 仅抑制 CME 的观点相反,本研究证明其主要靶标为小 GTPase,需重新定义其作用谱。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  重新定义 Pitstop-2 为“广谱小 GTPase 可逆抑制剂”,修正其 CME 专一性标签。  

 

  技术贡献  
  CUT&RUN-荧光双标记策略可推广至任何小分子靶标筛选。  

 

  实际价值  
  为开发靶向 Ran/Rac1 的肿瘤转移抑制剂提供先导结构;RVD-127 已申请专利,正与药企合作开展癌细胞侵袭抑制药筛选。

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