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清华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

近日,清华大学医学院李海涛研究组于Nature Chemical Biology 正式发表题为《应用蛋白阵列技术研发Spindlin1小分子抑制剂》(Developing spindlin1 small-molecule inhibitors by using protein microarrays)的合作研究论文,通过构建组蛋白阅读器结构域蛋白芯片,并结合基于结构的构效关系演化,开发出专门针对Spindlin1的活性小分子抑制剂,为今后模式结构域(modular domain)靶向的药物筛选与开发提供了一种新的技术模式。

图1. 利用蛋白阵列筛选小分子抑制剂


组蛋白修饰是表观遗传调控的基本机制之一,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,癌症等诸多疾病中,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,其中一个著名的例子是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具有挑战性的领域。该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,作者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该98个潜在“阅读器”靶点的“lab-on-chip”针对性高通量评估和筛选。利用该项技术,他们成功筛选出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”,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结构口袋中,阻断其对组蛋白H3“K4me3-R8me2a”的识别。在Spindlin1-EML405复合物结构的基础上,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衍生的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的结果显示,EML631能够有效抑制Spindlin1激活基因转录的活性。因此,该工作以组蛋白“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,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的研发模式。


该论文是清华大学医学院李海涛教授与美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心的Mark Bedford教授、意大利萨莱诺大学的Gianluca Sbardella教授共同合作的成果。其中李海涛教授实验室负责结构解析与结合实验、Mark Bedford教授实验室负责蛋白阵列制备与细胞功能实验、Gianluca Sbardella教授实验室负责小分子化学合成与演化工作。清华-北大生命科学联合中心的博士后苏晓楠为论文的并列第一作者,清华大学2016级博士生白雪参与了该项工作。该课题得到科技部国家重点研发计划、教育部自主科研计划、北京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的资助。晶体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。


该论文作者为:Narkhyun Bae, Monica Viviano, Xiaonan Su, Jie Lv, Donghang Cheng, Cari Sagum, Sabrina Castellano, Xue Bai, Claire Johnson, Mahmoud Ibrahim Khalil, Jianjun Shen, Kaifu Chen, Haitao Li, Gianluca Sbardella & Mark T Bedford

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Developing Spindlin1 small-molecule inhibitors by using protein microarrays

Nat. Chem. Biol., 2017, 13, 750, DOI: 10.1038/nchembio.2377


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