組蛋白翻譯后修飾在一系列染色質活動中扮演著極為重要的角色，也是調控表觀遺傳學事件的重要機制之一。在細胞內，組蛋白翻譯后修飾受到其“書寫器”（“Writer”）和“擦除器”（“Eraser”）的嚴密調節(jié)，并且通過招募其“閱讀器”（“Reader”）效應蛋白來調控染色質結構及相關基因表達，從而影響DNA復制、細胞分裂、分化和凋亡等關鍵細胞進程。越來越多證據(jù)表明，組蛋白修飾失調與識別紊亂是一些人類疾病如癌癥的重要發(fā)病原因之一，這也使得組蛋白修飾相關蛋白成為了近年來表觀遺傳學藥物研發(fā)的熱門靶點。在所有組蛋白修飾中，賴氨酸乙?；↘ac）是最早發(fā)現(xiàn)也是被研究得最充分的修飾之一。一些靶向組蛋白乙?；伴喿x器”——溴域（Bromodomain）的抑制劑甚至已經進入了臨床實驗階段。

2018年10月29日，清華大學結構生物學高精尖創(chuàng)新中心李海濤研究團隊與香港大學李祥課題組聯(lián)合在Nature Chemical Biology雜志發(fā)表題為Structure-guided development of YEATS domain inhibitors by targeting π-π-π stacking的研究成果，首次報道了一類靶向AF9和ENL?YEATS結構域的高效、特異性抑制劑，并證明其中一個選擇性靶向ENL?YEATS的抑制劑具有細胞膜通透性并可以和（+）-JQ1協(xié)同作用降低白血病細胞中的相關致癌基因的表達。

YEATS結構域是2014年由美國MD安德森癌癥中心石曉冰實驗室與清華大學李海濤課題組合作鑒定出的新型組蛋白乙?；伴喿x器”（Li?Y et al，Cell159:558-571）。2016年，李海濤課題組又發(fā)現(xiàn)YEATS結構域能夠以更強的親和力識別組蛋白巴豆酰化（Kcr）并調控相關基因表達 （Li?Y et al, Mol Cell?62:181-193； Zhao D et al，Cell Res?26:629-632）。人類基因組共編碼4種含有YEATS結構域的蛋白，分別是ENL、AF9、YEATS2和GAS41，其中ENL和AF9的YEATS結構域具有很高的序列相似性。2017年，李海濤課題組又與合作團隊石曉冰實驗室、美國紀念斯隆-凱特琳癌癥中心Scott A. Armstrong實驗室、洛克菲勒大學C. David Allis實驗室，在Nature雜志發(fā)表論文，闡明了ENL的YEATS結構域通過識別組蛋白乙?；心枷嚓P蛋白復合體上調致癌靶基因的表達，從而導致并維持急性白血病的分子機理；而與ENL高度相似的AF9卻在此過程中并無重要作用（Wan?L，?Wen H, Li Y et al, Nature?543:265-269）。值得注意的是，在白血病細胞中敲除ENL可以和著名的溴域抑制劑（+）-JQ1起到協(xié)同作用，進一步抑制癌細胞增長并增加白血病小鼠的存活率。這揭示聯(lián)合靶向ENL結構域和溴域可以為白血病的治療提供新的方案，也使得ENL?YEATS結構域成為新的潛在藥物靶點，因此靶向YEATS結構域抑制劑研發(fā)成為領域內的研究熱點。

2016年，李海濤研究團隊首次發(fā)現(xiàn)AF9 YEATS結構域通過p-p-p堆積偏好性地識別組蛋白巴豆?；木w結構（Li?Y et al, Mol Cell?62:181-193）。受此啟發(fā)，香港大學李祥課題組首先將AF9 YEATS結構域識別位點（H3K9cr）的巴豆?；鶊F替換為其他具有更大共軛體系的基團，得到了一系列基于組蛋白H3（4-13）序列的十肽。利用競爭性光交聯(lián)實驗方法對這些十肽進行檢測，發(fā)現(xiàn)將巴豆酰基團替換為2-呋喃甲?；?-噁唑甲酰基會很大地（4-10倍）增強AF9 YEATS結構域對多肽的親和性。作者進一步對多肽的長度及序列進行了一系列優(yōu)化，最終得到了兩個高效的亞微摩級五肽抑制劑XL-07i和XL-13a（IC50分別為0.26?μM和0.24?μM，AF9天然多肽底物IC50為6.0 μM）。

李海濤研究團隊解析了AF9 YEATS結構域和五肽抑制劑XL-07i相互作用復合物的高分辨率晶體結構（分辨率為1.9埃），發(fā)現(xiàn)其YEATS結構域通過保守的三明治芳香籠口袋（S58、F59、Y78）實現(xiàn)對位于組蛋白H3多肽K9位2-呋喃甲?；?2-furancarbonyl)側鏈的精準識別。值得一提的是，與天然底物巴豆酰基團相比，一系列水分子參與介導的氫鍵作用網絡增強了抑制劑XL-07i與AF9 YEATS之間的親和力。五肽抑制劑N端芐氧甲?；–bz）側鏈則與AF9 YEATS的H107與H111的咪唑環(huán)形成了特殊的p堆積結構，進一步增強了二者相互作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)XL-07i和XL-13a特異性地抑制AF9和ENL，相對而言對另外兩種YEATS結構域蛋白YEATS2和GAS41的抑制作用很弱。因為之前報道證明是ENL而不是AF9的YEATS結構域對急性白血病的發(fā)生及維持非常重要，所以作者試圖開發(fā)出特異性靶向ENL?YEATS結構域的抑制劑，而ENL和AF9高度的序列相似性使得這一工作并不容易。作者從ENL和AF9的YEATS結構域具有不同的天然識別序列（ENL偏好性識別H3K27cr而不是H3K9cr）入手，通過改變5-噁唑甲?；嚢彼嶂車陌被嵝蛄?，從眾多候選分子中篩選出了兩個選擇性抑制ENL的抑制劑XL-13m（IC50 =?0.56 μM）和XL-13n（IC50 =?0.28 μM），其對AF9的抑制作用分別弱了4.5和6.1倍。利用活細胞內熱穩(wěn)定性遷移技術（Cellular?Thermal?Shift?Assay，CETSA），作者證明了在三種不同的白血病細胞系（MOLM-13、MV4；11和HEL）中，三肽抑制劑XL-13m均可以透過細胞膜，并特異性地靶向細胞內源的ENL而不會作用于內源的AF9蛋白。更加重要的是，ChIP-qPCR和RT-PCR實驗表明在MOLM-13細胞系中，XL-13m處理會阻礙ENL和其靶基因（HOXA10、MEIS1、MYB和MYC）的結合并顯著性降低這些致癌基因的表達。接下來的研究發(fā)現(xiàn)，該ENL抑制劑可以和溴域抑制劑（+）-JQ1或者組蛋白甲基轉移酶DOT1L抑制劑EPZ-5676協(xié)同作用，增強這兩種抑制劑的效用，進一步下調MOLM-13細胞中癌基因的表達水平。

據(jù)不完全統(tǒng)計，該論文是首個對YEATS結構域抑制劑的報道，也是首次以π-π-π堆積結構為靶標進行抑制劑的設計，為今后對YEATS結構域抑制劑及治療白血病新型藥物的開發(fā)提供了思路，也為研究AF9和ENL在細胞活動中的功能提供了新的工具。

香港大學化學系李祥課題組李歆博士和李曉萌博士為本論文共同第一作者，李祥教授和李海濤研究團隊成員高精尖中心卓越學者李元元博士為本論文共同通訊作者。這項研究也得到了美國洛克菲勒大學C. David Allis實驗室、萬里玲博士和MD安德森癌癥中心石曉冰實驗室的大力協(xié)作。

本課題得到國家自然科學基金委、科技部國家重點研發(fā)計劃、北京市結構生物學高精尖創(chuàng)新中心、北京市科技新星計劃、中國科協(xié)青年人才托舉工程等的經費支持。數(shù)據(jù)收集得到蛋白質鳳凰工程和上海同步輻射光源的大力支持與協(xié)助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41589-018-0144-y