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普渡大学黄蓉团队报道α-N-末端乙酰基转移酶D的新型抑制剂

α-N-末端乙酰化是一种普遍存在的蛋白质修饰,发生在 80-90% 的人类蛋白质上。它对各种生物学功能至关重要,包括蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质复合物形成、细胞凋亡、rDNA 转录调控、蛋白质亚细胞定位和降解。这种修饰由α-N-末端乙酰基转移酶 (NAT) 催化,NAT 将乙酰基从供体乙酰辅酶 A (AcCoA) 转移到蛋白质底物的 α-N-氨基上。迄今为止,已报道了 8 个真核 NATs (NatA–NatH) 成员。其中,NatA 和 NatD 在起始蛋氨酸裂解后将新生链乙酰化。NatA 是一种多亚基酶,可乙酰化约 40% 的人类蛋白质,这些蛋白质包含小的不带电荷的第一残基。相比之下,NatD (NAA40) 是一种单体蛋白质,对具有相同 N 端序列 SGRGK 的组蛋白 H2A 和 H4 显示出极高的底物特异性。


H4 上的 α-N-末端乙酰化在肿瘤发生中具有多种生物学功能和影响。NatD 的损耗会通过结肠癌细胞中的线粒体途径诱导细胞凋亡。此外,NatD 在肝细胞癌组织中下调,而在原发性肺癌组织中上调。最新研究表明,H4 Nα-乙酰化与 H4 上的精氨酸甲基化、赖氨酸乙酰化和丝氨酸磷酸化之间存在联系。例如,H4 的 Nα-乙酰化通过抑制 H4 (H4R3me2a) 上 Arg3 的不对称二甲基化来刺激核糖体 DNA 表达。H4 的 Nα-乙酰化抑制 Ser1 磷酸化并诱导 Slug 转录的表达以促进肺癌中的上皮-间质转化,这表明 NatD 的乙酰转移酶活性对 Slug 调节至关重要。此外,H4 的 Nα-乙酰化会上调蛋白精氨酸甲基转移酶 5,从而促进结肠癌细胞中癌症基因的表达。这些研究发现使NatD 成为潜在的新型治疗靶点。因此,开发NatD 抑制剂对研究其功能和治疗潜力具有重要的价值。然而,迄今为止未见任何NatD 抑制剂被报道。

图1. NatD双底物抑制剂的设计思路。


NatD\CoA\SGRGK 复合物 (PDB: 4U9W) 的共晶结构显示其底物肽 (SGRGK) 插入到 NatD 的酸性结合口袋中,且前4 个残基(SGRG)用于特异性识别底物。尽管 NatD 的催化机制尚未阐明,但 NatA 和 NatE遵循有序的 Bi-Bi 催化机制。而NatD 与 NatA 的结构高度相似,因此NatD可能与 NatA 有相同的催化机制。此外,在活性位点 C137发生突变后,hNatD 仍然保持催化活性,也支持其通过 Bi-Bi 机制直接转移乙酰基。基于此,普渡大学黄蓉团队认为可以通过双底物类似物策略开发NatD的抑制剂。在本文中,作者首次设计并合成了一系列NatD 双底物抑制剂,其Ki 值为 1.0-8.7 nM。最强化合物 CoA-C3-SGRGK 的 Ki 为 1.0 ± 0.11 nM,并且具有大于1,000 倍选择性比较于其他类似的乙酰转移酶。另外,这些共晶结构也为NatD抑制剂的进一步开发提供了结构基础。

图2. 代表性抑制剂的化学及晶体结构,及其抑制活性与选择性。


这一成果近期发表在Journal of Medicinal Chemistry 上,是该团队和宾州大学Marmorstein教授实验室合作的成果。文章的第一作者是邓友超,于2019年加入普渡大学黄蓉课题组进行博士后研究,主要研究α-N-末端甲基及乙酰基转移酶的抑制剂。他博士毕业于中南大学湘雅国际转化医学联合研究院,师从段燕文、沈奔和黄勇课题组,主要研究方向是利用合成生物学、有机及计算化学开发天然产物及小分子药物。截止目前,邓友超已经在JMC杂志上连续发表三篇研究性论文。

黄蓉课题组合影(2021年5月)


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Novel Bisubstrate Inhibitors for Protein N-Terminal Acetyltransferase D

Youchao Deng, Sunbin Deng, Yi-Hsun Ho, Sarah M. Gardner, Zhi Huang, Ronen Marmorstein, and Rong Huang*

J. Med. Chem.202164, 8263–8271, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c00141


黄蓉博士简介


黄蓉副教授在同济医科大学药学院获得药学学士和硕士学位(导师朱景申教授)。在同济大学医科大学药学院任教两年后,于 2001年来到普渡大学攻读药物化学博士学位,导师是Richard F. Borch教授。她主要研究酪氨酸磷酸类似物前药的设计、合成和评估,用以破坏 SH2 结构域介导的蛋白质-蛋白质相互作用。博士毕业后,她加入约翰霍普金斯大学Philip A. Cole 教授组进行博士后研究表观遗传学生物化学,在那里她开发了一种将乙酰赖氨酸模拟物定点引入蛋白质的方法,并参于组蛋白去甲基化酶学及抑制剂的研究。2011年,她加入弗吉尼亚联邦大学药物化学系,担任助理教授。2017 年,她作为终身副教授返回普渡大学,继续应用跨学科方法来研究甲基转移酶和乙酰转移酶的分子机制,设计合成抑制剂用来操纵表观遗传途径,并开发相关新药。


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