Bcl-2家族蛋白是细胞内源凋亡通路的“开关”。经典的Bcl-2家族蛋白包括抗凋亡的Bcl-2-like蛋白,主要有Bcl-2和Mcl-1等,以及促凋亡成员Bax、Bak,和Bim等BH3-only蛋白。BH3结构域介导了抗凋亡成员与促凋亡成员的蛋白质-蛋白质相互作用（protein-protein interaction,PPI）,组成一个具有多时空层次、冗余性、连通性和代偿性的分子网络,调控细胞的生死平衡。越来越多的含有BH3结构域的非经典的Bcl-2家族蛋白被发现,和经典的Bcl-2家族蛋白一起构成泛Bcl-2家族,令这个分子网络的组成和功能更加复杂,为靶向抗癌药的靶标发现、确认,靶向抑制剂类抗癌药的研发和合理应用带来挑战。本论文以化学小分子作为研究工具,利用细胞生物学、分子生物学和化学生物学等技术手段,结合数学建模的系统性分析方法,研究了经典Bcl-2家族的Bcl-2和Mcl-1蛋白通过相互代偿对凋亡网络的不同贡献,以及通过化学蛋白质组学技术发现新的非经典的Bcl-2-like蛋白,结合IPA通路分析等方法研究其作为肿瘤靶标的分子机制。在组合药靶的机制研究、新药靶的发现和确认、新的抑制剂类靶向抗癌候选药物的研究领域做了如下工作:第一,通过数学建模的方法分别定量研究了抗凋亡的Bcl-2和Mcl-1蛋白对凋亡网络的贡献,并得到实验验证。研究结果表明Bcl-2和Mcl-1两个药靶各自的蛋白表达量和Mcl-1蛋白的动力学变化,是共同决定特异性Bcl-2抑制剂和特异性Mcl-1抑制剂的联合用药比例的三个主要因素。拟合获得了指导Bcl-2抑制剂与引起Mcl-1不同动力学变化的Mcl-1抑制剂的联合用药方程,经济、高效地诱导肿瘤细胞凋亡。第二,利用基于活性的蛋白质组分析方法发现了一个新的含有BH3结构域的泛Bcl-2家族蛋白,Hsp70,发现Bim是Hsp70的辅助伴侣蛋白。利用化学蛋白质组学的方法,将Bcl-2家族蛋白抑制剂分子制备成为基于活性的分子探针,在蛋白质组水平上“钓取”到新的靶蛋白,质谱鉴定为Hsp70蛋白。体外亲和力检测试验证明Hsp70通过BH3沟槽与多个经典的Bcl-2家族蛋白发生PPIs。1H-15N HSQC-TROSY核磁方法鉴定了 BimBH3结合在Hsp70的NBD结构域的一个新的位点。Bim通过别构作用促进Hsp70的ATP酶活性,正向调控Hsp70的分子伴侣功能。第三,利用特异性抑制剂分子证明Hsp70/Bim二聚体是慢性粒细胞白血病（CML）和BCR-ABL非依赖型TKIs耐药的CML中的特异性靶标。首先,基于Hsp70蛋白表面含有的BH3结构域,在现有的Bcl-2家族蛋白抑制剂中筛选获得了目前第一个Hsp70/Bim二聚体抑制剂,S1g-2（3-（6-环己基巯基-2-氰基-1-氧-1H-非那烯基氨基）丙酸甲酯）。荧光偏振试验、等温滴定量热试验、核磁共振波谱和免疫共沉淀试验等证明S1g-2是一个体外和细胞内的特异性的Hsp70/Bim二聚体抑制剂,其解离Hsp70/Bim PPI 的能力（Ki=0.2μM）是解离 Bcl-2/Bim PPI 的能力（Ki=2.8 μM）的 10倍以上。利用S1g-2证明了 Hsp70/Bim二聚体是慢性粒细胞白血病（CML）和BCR-ABL非依赖型TKIs耐药的CML中的特异性靶标,揭示了 Hsp70/Bim二聚体的靶标意义和分子机制。获得了一个全新结构、全新结合位点、全新抗肿瘤分子机制的原创抗癌前药。随后,通过基因转染和RNA干扰等方法证明BCR-ABL融合蛋白的表达促进了 Hsp70/Bim二聚体形成,进而稳定Raf-1、AKT、eIF4A、eIF4E和RPS16等客户蛋白。基于iTRAQ的蛋白质组学分析、IPA通路分析等多种方法揭示了 Hsp70/Bim二聚体特异性调控CML中的EIF2信号通路、eIF4E和p70S6K调控的信号通路、mTOR信号通路。在BCR-ABL非依赖型TKIs耐药的CML细胞中,随着TKIs耐药指数的梯度提高,BCR-ABL的下游激酶AKT,Raf-1的激活对Hsp70/Bim的依赖性越来越强,因此S1g-2的凋亡诱导作用也越来越强。本论文的研究结果表明经典Bcl-2家族的不同Bcl-2-like蛋白具有不同的药靶机制。还发现了新的非经典的Bcl-2-like家族蛋白成员Hsp70,作为一个Bcl-2-like蛋白与Bim有相互作用,参与泛Bcl-2家族PPIs网络,Hsp70/Bim二聚体具有特异性肿瘤靶标的意义。