近日，清華大學醫(yī)學院李海濤研究組于Nature Chemical Biology 正式發(fā)表題為《應用蛋白陣列技術(shù)研發(fā)Spindlin1小分子抑制劑》（Developing spindlin1 small-molecule inhibitors by using protein microarrays）的合作研究論文，通過構(gòu)建組蛋白閱讀器結(jié)構(gòu)域蛋白芯片，并結(jié)合基于結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系演化，開發(fā)出專門針對Spindlin1的活性小分子抑制劑，為今后模式結(jié)構(gòu)域（modular domain）靶向的藥物篩選與開發(fā)提供了一種新的技術(shù)模式。
組蛋白修飾是表觀遺傳調(diào)控的基本機制之一，構(gòu)成一類“組蛋白密碼”，調(diào)控著遺傳信息在染色質(zhì)層面的組織與解讀。組蛋白修飾的一種作用模式是招募一類被稱作“閱讀器”（reader）的效應因子，通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)開關(guān)狀態(tài)而調(diào)控基因活度和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，進而影響細胞分裂、增殖、分化和凋亡等眾多細胞進程。值得注意的是，癌癥等諸多疾病中，存在組蛋白修飾及其“閱讀器”識別紊亂調(diào)控的現(xiàn)象。近年來，組蛋白“閱讀器”逐漸成為藥物研發(fā)中的一類重要靶點，其中一個著名的例子是BRD4的Bromo結(jié)構(gòu)域。能夠識別組蛋白修飾的“閱讀器”結(jié)構(gòu)域種類繁多，如PHD鋅指、Tudor、Chromo、PWWP、MBT、BAH、Bromo、YEATS等，他們能夠以修飾位點和類型特異的方式來識別并破譯“組蛋白密碼”。因此，尋找針對組蛋白閱讀器的特異抑制劑是當前表觀遺傳領(lǐng)域藥物研究的一個熱點。
組蛋白甲基化是一類重要的組蛋白修飾，主要發(fā)生在賴氨酸和精氨酸等殘基上，通常可以被“閱讀器”中的芳香籠口袋（aromatic cage）識別并解讀。鑒于芳香籠口袋的結(jié)構(gòu)相似性，開發(fā)特異靶向不同甲基化“閱讀器”的小分子抑制劑成為具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。該研究首先通過構(gòu)建組蛋白賴氨酸甲基化“閱讀器”結(jié)構(gòu)域蛋白陣列芯片，其中涉及隸屬Tudor、Chromo、PHD、BAH、MBT、PWWP、ANK、AGENET、HEAT等類型的蛋白結(jié)構(gòu)域共98個；隨后，作者采用一種基于熒光的檢測手段對生物素標記的小分子抑制劑進行該98個潛在“閱讀器”靶點的“l(fā)ab-on-chip”針對性高通量評估和篩選。利用該項技術(shù)，他們成功篩選出EML405小分子的潛在靶點Spindlin1、PHF20、L3MBTL1、53BP1等，并在體外結(jié)合實驗中得到驗證。
李海濤研究組曾于2014年在《基因與發(fā)育》發(fā)文報導Spindlin1是一類新型組蛋白“閱讀器”，含有三個串聯(lián)重復類Tudor結(jié)構(gòu)域，通過前兩個類Tudor結(jié)構(gòu)域特異性識別組蛋白“賴氨酸-精氨酸”甲基化組合——H3“K4me3-R8me2a”，進而激活Wnt靶基因的轉(zhuǎn)錄，是結(jié)腸癌等諸多癌癥發(fā)生的促癌因子。以Spindlin1為突破點，李海濤研究組通過X射線晶體衍射技術(shù)揭示了EML405小分子結(jié)合Spindlin1的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)EML405小分子的兩臂恰巧結(jié)合在Spindlin1的前兩個功能性芳香結(jié)構(gòu)口袋中，阻斷其對組蛋白H3“K4me3-R8me2a”的識別。在Spindlin1-EML405復合物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究人員進一步優(yōu)化出EML405小分子的衍生體EML631、EML632、EML633，并系統(tǒng)開展了EML631-633與Spindlin1、PHF20、L3MBTL1、L3MBTL3、53BP1靶點的定性、定量結(jié)合分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)EML衍生的小分子能夠大大提高Spindlin1靶點的識別特異性，其中EML631以4微摩爾親和力結(jié)合Spindlin1，而對PHF20、L3MBTL1、L3MBTL3、53BP1靶點的結(jié)合能力降到亞毫摩爾級別。Spindlin1-EML631的晶體結(jié)構(gòu)解析進一步揭示了EML631對Spindlin1高度選擇性的分子機制。同時，RNA-seq和ChIP-qPCR的結(jié)果顯示，EML631能夠有效抑制Spindlin1激活基因轉(zhuǎn)錄的活性。因此，該工作以組蛋白“閱讀器”蛋白芯片為切入點，開發(fā)出針對Spindlin1靶點的特異性小分子抑制劑，為今后以模式結(jié)構(gòu)域為靶點的特異小分子篩選開發(fā)建立了一個新型的研發(fā)模式。
該論文是清華大學醫(yī)學院李海濤教授與美國德克薩斯大學MD安德森癌癥中心的Mark Bedford教授、意大利薩萊諾大學的Gianluca Sbardella教授共同合作的成果。其中李海濤教授實驗室負責結(jié)構(gòu)解析與結(jié)合實驗、Mark Bedford教授實驗室負責蛋白陣列制備與細胞功能實驗、Gianluca Sbardella教授實驗室負責小分子化學合成與演化工作。清華-北大生命科學聯(lián)合中心的博士后蘇曉楠為論文的并列第一作者，清華大學2016級博士生白雪參與了該項工作。該課題得到科技部國家重點研發(fā)計劃、教育部自主科研計劃、北京結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學聯(lián)合中心等的資助。晶體衍射數(shù)據(jù)收集得到上海同步輻射光源BL17U線站的大力支持與協(xié)助。
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