科研成果 | 李海涛研究组发表合作论文利用蛋白质阵列研发Spindlin1小分子抑制剂

组蛋白修饰是表观遗传调控基本机制之一，被认为构成一类“组蛋白密码”，调控着遗传信息在染色质层面的组织与解读。组蛋白修饰的一种作用模式是招募一类被称作“阅读器”（reader）的效应因子，通过调节染色质开关状态而调控基因活度和染色质结构，进而影响细胞分裂、增殖、分化和凋亡等众多细胞进程。值得注意的是，在癌症等众多疾病中存在组蛋白修饰及其“阅读器”识别紊乱调控的现象。近年来，组蛋白“阅读器”逐渐成为药物研发中的一类重要靶点，一个著名的例子是BRD4的Bromo结构域。能够识别组蛋白修饰的“阅读器”结构域种类繁多，如PHD锌指、Tudor、Chromo、PWWP、MBT、BAH、Bromo、YEATS等，他们能够以修饰位点和类型特异的方式来识别并破译“组蛋白密码”。因此，寻找针对组蛋白阅读器的特异抑制剂，是当前表观遗传领域药物研究的一个热点。

组蛋白甲基化是一类重要的组蛋白修饰，主要发生在赖氨酸和精氨酸等残基上，通常可以被“阅读器”中的芳香笼口袋（aromatic cage）识别并解读。鉴于芳香笼口袋的结构相似性，开发特异靶向不同甲基化“阅读器”的小分子抑制剂成为一个领域挑战。本研究首先通过构建组蛋白赖氨酸甲基化“阅读器”结构域蛋白阵列芯片，其中涉及隶属Tudor、Chromo、PHD、BAH、MBT、PWWP、ANK、AGENET、HEAT等类型的蛋白结构域共98个；随后，采用一种基于荧光的检测手段对生物素标记的小分子抑制剂进行针对该98个潜在“阅读器”靶点的“lab-on-chip”高通量评估和筛选。利用该项技术研究组成功筛选出EML405小分子的潜在靶点Spindlin1、PHF20、L3MBTL1、53BP1等，并在体外结合实验中得到验证。

李海涛研究组曾于2014年在《基因与发育》发文报导Spindlin1是一类新型组蛋白“阅读器”，其含有三个串联重复类Tudor结构域，通过前两个类Tudor结构域特异性识别组蛋白“赖氨酸-精氨酸”甲基化组合，H3“K4me3-R8me2a”，进而激活Wnt靶基因的转录，是结肠癌等诸多癌症发生中的促癌因子。以Spindlin1为突破点，李海涛研究组通过X射线晶体衍射技术揭示了EML405小分子结合Spindlin1的结构基础。研究发现EML405小分子的两臂恰巧结合在Spindlin1的前两个功能性芳香族口袋中，阻断其对组蛋白H3“K4me3-R8me2a”的识别。在Spindlin1-EML405的复合物结构基础上，研究人员进一步优化出EML405小分子的衍生体EML631、EML632、EML633，并系统的开展了EML631-633与Spindlin1、PHF20、L3MBTL1、L3MBTL3、53BP1靶点的定性、定量结合分析。结果发现EML衍生小分子能够大大提高Spindlin1靶点的识别特异性，其中EML631以4微摩尔亲和力结合Spindlin1，而对PHF20、L3MBTL1、L3MBTL3、53BP1靶点的结合能力降到亚毫摩尔级别。Spindlin1-EML631的晶体结构解析进一步揭示了EML631对Spindlin1高度选择性的分子机制。同时，RNA-seq和ChIP-qPCR结果显示，EML631能够有效抑制Spindlin1激活基因转录的活性。因此，本工作以组蛋白“阅读器”蛋白芯片为切入点，开发出针对Spindlin1靶点的特异性小分子抑制剂，这为今后以模式结构域为靶点的特异小分子筛选开发建立了一个新型研发模式。

本论文是清华大学医学院、结构生物学高精尖创新中心李海涛教授与美国得克萨斯大学MD安德森癌症中心Mark Bedford教授、意大利萨莱诺大学Gianluca Sbardella教授共同合作成果。其中李海涛教授实验室负责了结构解析与结合实验、Mark Bedford教授实验室负责了蛋白阵列制备与细胞功能实验、Gianluca Sbardella教授实验室负责了小分子化学合成与演化工作。清华大学医学院博士后苏晓楠为论文并列第一作者，清华大学2016级博士生白雪参与了该项工作。本课题得到科技部国家重点研发计划、、北京市结构生物学高精尖创新中心、清华-北大生命科学联合中心等资助。衍射数据收集得到上海同步辐射光源BL17U线站的大力支持与协助。