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近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤研究組于Nature Chemical Biology 正式發(fā)表題為《應(yīng)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(guò)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(kāi)發(fā)出專門(mén)針對(duì)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(kāi)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(jī)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(yīng)因子，通過(guò)調(diào)節(jié)染色質(zhì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)而調(diào)控基因活度和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響細(xì)胞分裂、增殖、分化和凋亡等眾多細(xì)胞進(jìn)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(shí)別紊亂調(diào)控的現(xiàn)象。近年來(lái)，組蛋白“閱讀器”逐漸成為藥物研發(fā)中的一類重要靶點(diǎn)，其中一個(gè)著名的例子是BRD4的Bromo結(jié)構(gòu)域。能夠識(shí)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(diǎn)和類型特異的方式來(lái)識(shí)別并破譯“組蛋白密碼”。因此，尋找針對(duì)組蛋白閱讀器的特異抑制劑是當(dāng)前表觀遺傳領(lǐng)域藥物研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

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?？梢员弧伴喿x器”中的芳香籠口袋（aromatic cage）識(shí)別并解讀。鑒于芳香籠口袋的結(jié)構(gòu)相似性，開(kāi)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(guò)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(gè)；隨后，作者采用一種基于熒光的檢測(cè)手段對(duì)生物素標(biāo)記的小分子抑制劑進(jìn)行該98個(gè)潛在“閱讀器”靶點(diǎn)的“l(fā)ab-on-chip”針對(duì)性高通量評(píng)估和篩選。利用該項(xiàng)技術(shù)，他們成功篩選出EML405小分子的潛在靶點(diǎn)Spindlin1、PHF20、L3MBTL1、53BP1等，并在體外結(jié)合實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

李海濤研究組曾于2014年在《基因與發(fā)育》發(fā)文報(bào)導(dǎo)Spindlin1是一類新型組蛋白“閱讀器”，含有三個(gè)串聯(lián)重復(fù)類Tudor結(jié)構(gòu)域，通過(guò)前兩個(gè)類Tudor結(jié)構(gòu)域特異性識(shí)別組蛋白“賴氨酸-精氨酸”甲基化組合——H3“K4me3-R8me2a”，進(jìn)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(diǎn)，李海濤研究組通過(guò)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(gè)功能性芳香結(jié)構(gòu)口袋中，阻斷其對(duì)組蛋白H3“K4me3-R8me2a”的識(shí)別。在Spindlin1-EML405復(fù)合物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步優(yōu)化出EML405小分子的衍生體EML631、EML632、EML633，并系統(tǒng)開(kāi)展了EML631-633與Spindlin1、PHF20、L3MBTL1、L3MBTL3、53BP1靶點(diǎn)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(diǎn)的識(shí)別特異性，其中EML631以4微摩爾親和力結(jié)合Spindlin1，而對(duì)PHF20、L3MBTL1、L3MBTL3、53BP1靶點(diǎn)的結(jié)合能力降到亞毫摩爾級(jí)別。Spindlin1-EML631的晶體結(jié)構(gòu)解析進(jìn)一步揭示了EML631對(duì)Spindlin1高度選擇性的分子機(jī)制。同時(shí)，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(diǎn)，開(kāi)發(fā)出針對(duì)Spindlin1靶點(diǎn)的特異性小分子抑制劑，為今后以模式結(jié)構(gòu)域?yàn)榘悬c(diǎn)的特異小分子篩選開(kāi)發(fā)建立了一個(gè)新型的研發(fā)模式。

該論文是清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授與美國(guó)德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心的Mark Bedford教授、意大利薩萊諾大學(xué)的Gianluca Sbardella教授共同合作的成果。其中李海濤教授實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)解析與結(jié)合實(shí)驗(yàn)、Mark Bedford教授實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)蛋白陣列制備與細(xì)胞功能實(shí)驗(yàn)、Gianluca Sbardella教授實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)小分子化學(xué)合成與演化工作。清華-北大生命科學(xué)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(xué)2016級(jí)博士生白雪參與了該項(xiàng)工作。該課題得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部自主科研計(jì)劃、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學(xué)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。