目前，癌症已经成为威胁人类健康的重大恶性疾病之一。美国癌症协会(American Cancer Society, ACS)公布的最新癌症统计数据(CA Cancer J Clin.2011;61:69)显示，2008年全球癌症新发病例为1270万，其中死亡率高达59.84%。细胞周期的亢进和细胞凋亡的受阻共同导致细胞癌变和肿瘤的发生。哺乳动物细胞通过细胞周期依赖性激酶(Cyclin-dependent kinases, Cdks)有序地激活驱动周期各个时相之间有条不紊的转换。Cdks活性异常上调是肿瘤细胞重要的生物学特征，如在乳腺癌、肺癌、结直肠癌、肝癌和恶性淋巴癌细胞中，频繁检测到极度活跃的Cdks活性。目前，Cdks已经成为癌症治疗的重要靶标。肿瘤细胞的另一个特征，即细胞凋亡通路的受损，也是肿瘤细胞对治疗产生耐药性的主要原因，例如：约80%的人肝癌细胞过表达XIAP蛋白质，以抑制Caspases的激活和进一步活化；50%以上人类肿瘤细胞增强表达抗凋亡蛋白质Bcl-2；肿瘤细胞通过表达诱饵受体DcR1和DcR2，抵制TRAIL诱导的细胞凋亡。以上机制直接或间接促成了肿瘤的发生和发展，也给肿瘤的治疗增加了难度。目前，治疗效果差、边缘效应严重以及多种药物获得性耐受，是肿瘤治疗面临的普遍难题。因此，研发强效且特异性高的抗癌药物是现今医药领域面临的巨大挑战。本论文中，我们以广谱Cdks抑制剂Xylocydine作为先导化合物，开发Cdks家族中掌控细胞周期G1/S期转换和S期进程的Cdk2特异性抑制剂。为此，我们解析了Cyclin A3-Cdk2-Xylocydine的晶体结构，进而确定了Xylocydine的改造位点，以此为基础设计、合成了一系列Xylocydine衍生物，并阐述了它们对肿瘤细胞的作用机制，获得了以下创新性研究成果：1)我们首次成功解析了Cyclin A3-Cdk2-Xylocydine三元复合物的晶体结构；2)晶体结构信息表明，Xylocydine C6位的Br原子是有效的修饰位点。通过对这一位置进行改造，我们合成了24个芳基和杂芳基取代的全新Xylocydine衍生物。利用体外Cdks激酶活性测定，获得了三个Cyclin A-Cdk2高选择性抑制剂，即3h、3i和3j；与Cyclin B-Cdk1相比，选择性至少提高了20倍。四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色(3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-dipheny-ltetrazoniumbromide, MTT)结果显示，化合物3h-j对肿瘤细胞HeLa没有显著的细胞毒性，然而可以有效地阻滞HeLa细胞周期在G1/S期。这表明，3h-j在细胞内可能同样通过抑制Cdk2的活性，进而阻止肿瘤细胞的增殖。为了阐明Cdk2与抑制剂之间的构效关系，我们进行了分子对接分析。结果表明，Xylocydine6-Br位合理地修饰，确实能够对由Lys33、Glu51、Phe80和Asp145形成的Cdk2催化中心区域进行填充，且显著提高了抑制剂对Cdk2的选择性。此外，对Xylocydine改造过程中，其嘌呤环的空间方位、嘌呤环C4位-NH2与Cdk2Leu83残基以及晶体结构数据中的呋喃糖环C11位-OH与Cdk2Asp145残基之间形成的氢键，对抑制剂的活性可能有着至关重要地影响，应给予充分地重视。3)利用MTT法对Xylocydine衍生物进行细胞毒性分析，我们获得了一个具有肿瘤细胞特异性杀伤活性的新型化合物，将其命名为JRS-15。JRS-15对多种肿瘤细胞均展现出强烈的细胞毒性和促凋亡活性，其IC50值在12.42到28.25μM之间，比它的母体化合物Xylocydine更加强效。重要的是JRS-15对人源正常细胞LO2表现出较弱的细胞毒性。JRS-15作用机制研究表明，低浓度JRS-15(5.0μM)强烈阻滞HeLa细胞周期在G1/S期；较高剂量(25μM)时触发Bax和Bak转位到线粒体，导致线粒体膜电位去极化，随后释放促凋亡因子Cytochrome c和Smac到细胞浆中，从而激活起始Caspase-9，进而激活效应Caspase-3，最终诱导细胞凋亡。然而在整个过程中都没有检测到死亡受体通路介导的起始Caspase-8的激活。此外，JRS-15诱导的HeLa细胞凋亡伴随着抗凋亡蛋白XIAP和Bcl-xL的降解。进一步分析表明，Caspase-9和广谱Caspases抑制剂以及过表达抗凋亡蛋白XIAP或Bcl-xL均有效抑制JRS-15诱导的细胞凋亡。这些研究数据表明：JRS-15通过调节多种细胞凋亡调控蛋白，来诱导线粒体介导的內源型细胞凋亡。因此，我们合成的新型化合物JRS-15有望成为一个强效的抗癌候选药物。