S3是从中国传统药用植物绣线菊中提取的一种双萜类化合物。前期研究发现,S3可以上调Bim表达,使其转位到线粒体上与Bcl-2相互作用,进而改变线粒体外膜通透性并调控细胞色素C的释放,最终引起Bax和Bak非依赖性细胞凋亡。然而目前对于S3在胞内的直接作用靶分子及调控Bim蛋白表达上调的分子机制,尚不清楚。为了探究S3直接作用靶分子及Bim蛋白表达上调的分子机制,首先使用Biotin标记的S3即Biotin-S3与细胞裂解液共同孵育,通过蛋白质谱鉴定得知与S3相互作用的蛋白之一是硫氧还蛋白还原酶(TrxR)。TrxR1和TrxR2分别存在于胞浆和线粒体基质中并发挥重要的抗氧化酶功能,对于维持细胞的活力及功能起着非常重要的作用。作为哺乳动物中重要的含硒蛋白酶,TrxRs以同型二聚体的形式催化NADPH依赖的硫氧还蛋白(Trx)及其他小分子氧化物的还原。我们首先采用生化方法证实Biotin-S3可以与硫氧还蛋白还原酶(TrxRs)发生共价结合。高浓度的S3可以竞争性的抑制Biotin-S3与TrxRs的结合。进一步的通过Pull-down及TrxR1蛋白的点突变法证实,S3是与TrxRs的硒代半胱氨酸残基相结合并且这种结合抑制了TrxRs的抗氧化活性,且有时间和浓度依赖性。同时S3并不影响生物体内谷胱甘肽过氧化物酶的活性,这说明了S3对TrxRs活性抑制的特异性。S3并不影响TrxRs的蛋白表达,因此S3不是通过降低TrxRs蛋白表达水平而导致其活性降低。进一步的研究发现,S3通过抑制TrxRs的抗氧化活性使胞内自由基水平升高,自由基清除剂NAC可以有效抑制S3诱导自由基的产生,同时有效地抑制了S3所引起的Bim表达上调和细胞凋亡。因此,S3对TrxRs活性抑制而产生的ROS是其引起细胞凋亡的主要原因。采用敲减TrxRs表达方法,发现同时敲减TrxR1/2的表达能显著增强S3诱导的ROS产生和细胞凋亡,Bim蛋白表达水平也显著上调。我们还发现,S3诱导产生的ROS影响JNK、ERK、AKT等信号通路的活性,由此激活了转录因子FoxO3a使其发生去磷酸化转位入核,诱导Bim上调表达。NAC可以有效的逆转这一过程。将FoxO3a敲减后,由S3所引起的Bim的表达上调受到显著抑制,由此说明S3最终是通过对转录因子Fox03a活性调控而控制Bim蛋白的表达。S3可以有效抑制体外移植肿瘤的生长,而对实验动物体重没有明显影响。研究还发现S3可以显著降低了肿瘤中TrxRs的活性,但并不影响肝脏中TrxRs的活性,S3也不影响肿瘤及肝脏中TrxRs蛋白水平。综上所述,我们的结果显示,S3可以与TrxRs的硒代半胱氨酸残基发生共价结合并抑制其抗氧化活性,由此促进ROS产生并影响下游信号分子活性,导致FoxO3a去磷酸化入核,进而诱导Bim的大量表达,最终引起Bax和Bak非依赖性细胞凋亡。此外,S3还可以通过抑制TrxR的活性而延缓皮下移植肿瘤的生长。本研究阐明了S3通过调控Bim表达上调而导致Bax和Bak非依赖性细胞凋亡的分子机制,并且S3可通过对TrxR活性的抑制而延缓移植肿瘤的生长,可作为一种潜在的有效的抗癌药物。