Sci Adv：闻宏、金坚合作开发靶向乙酰化阅读器蛋白ENL的高效特异性蛋白质降解剂

来源：生物探索 2024-10-08 10:28

近年来治疗已经取得了显著进展，但是MLL（mixed-lineage leukemia, 也称为MLL1、ALL-1或KMT2A）基因重排引起的白血病仍然难以治疗，患者对现有疗法预后不佳。由于染色体重排导致的MLL基因融合在急性白血病中尤为常见，特别是在婴幼儿急性白血病中。这些重排与极差的预后相关，其中35-50%的儿童急性髓性白血病（AML）病例具有MLL重排的特征。这一患者群体对标准治疗的反应不佳，凸显了发展其他有效疗法的紧急性和必要性。

2017年，闻宏、万里玲等发现ENL（也称为MLLT1或YEATS1），一种组蛋白乙酰化阅读器蛋白对MLL基因重排白血病的生长是必需的【1】。ENL作为转录共激活因子，主要与SEC复合物（Super elongation complex）和DOT1L复合物（组蛋白H3K79甲基转移酶）相结合，在转录延伸过程中发挥关键作用。复合物中的ENL通过其YEATS结构域识别组蛋白H3赖氨酸乙酰化，促进招募和稳定相关的转录机器，进而实现激活目的基因。基因敲除ENL或YEATS结构域突变均显示出抑制MLL基因重排白血病生长的潜力，表明了ENL作为MLL基因重排白血病治疗靶点的前景。

蛋白质降解靶向嵌合体（PROTACs）是一类异双功能小分子，它们通过介导目标蛋白与E3泛素连接酶复合物的结合，从而在蛋白酶体（proteasome）中引发配体依赖性的蛋白质降解【2】。这一技术在生物医学和药物发现领域引起了极大关注。此前关于传统ENL小分子抑制剂的研究为ENL PROTAC降解剂的开发奠定了基础【3, 4】，但ENL PROTAC降解剂这一领域的进展仍然有限。

近日，Van Andel研究所闻宏课题组和西奈山Icahn医学院金坚课题组合作在Science Advances 发表了题为A potent and selective ENL degrader suppresses oncogenic gene expression and leukemia progression的研究论文。

该研究开发了一种高效且特异的ENL蛋白PROTAC降解剂MS41，并详细阐述了MS41抑制白血病细胞生长的分子机制。同时，通过小鼠肿瘤模型验证了其在体内的抑制效果。

研究者使用了PFI-6（一种特异性结合ENL/AF9的YEATS结构域的小分子抑制剂）【4】以及VHL E3泛素连接酶的经典配体VHL1-Me进行化合物的设计，开发出ENL蛋白PROTAC降解剂MS41（图1A）。MS41在多种人类白血病细胞系中均可以高效的降解ENL蛋白，在MV4;11和Jurkat细胞系中的半数蛋白降解浓度（DC50)分别为3.50 nM 和 3.03 nM，最大降解率（Dmax）均超过93% (图1B和1C)。对使用100 nM MS41处理2小时的MV4;11细胞进行定量蛋白质组学分析，结果显示ENL蛋白是唯一显著减少的蛋白，显示出MS41的特异性（图1D）。

进而，研究者发现MS41可以显著抑制多种人类MLL重排白血病细胞系的生长（图1E）。MS41在MV4;11和RS4;11细胞中的半数生长抑制浓度（GI50）分别为21.28 nM和25.06 nM。有趣的是，一种携带AML1-ETO易位的白血病细胞系KASUMI对MS41也非常敏感。MS41对不依赖于ENL的白血病细胞系Jurkat和K-562的生长则没有影响，体现了它在细胞水平的特异性。

图1.MS41是高效且特异的ENL蛋白降解剂。（A）MS41的化学结构以及降解ENL蛋白的示意图。（B）在MV4;11和Jurkat细胞中检测ENL和 -Actin表达水平的印迹。（C）MS41在MV4;11和Jurkat细胞中的DC50和Dmax值。（D）MV4;11细胞中的定量蛋白质组学分析。（E）MS41在人类白血病细胞系中的生长抑制曲线。（Credit:Science Advances）

研究者进一步探索了MS41抑制白血病细胞生长的分子机制。对MS41处理后的MV4;11细胞进行RNA-seq，分析结果显示关键癌基因（如MYC）和白血病基因（如HOXA9、HOXA10、MEIS1和MYB）的表达显著降低，而髓系分化标志物（如CD11B）的表达增加。ENL通过与多个染色质相关蛋白复合物相互作用来发挥转录调控功能，特别是SEC复合物和DOT1L复合物。这两个复合物都与MLL重排引起的白血病相关，研究者之前的研究表明，ENL在将这些复合物招募到染色质上的过程中发挥了关键作用【1】。为了研究MS41介导的ENL降解是否影响这些转录相关复合物在染色质上的结合，研究者对SEC（AFF1和CDK9）、DOT1L以及延伸型RNA聚合酶（Pol II S2P）进行了ChIP-seq。分析结果表明，SEC 和 DOT1L复合物成分以及延伸型RNA Pol II在染色质上的结合与ENL在染色质上的结合高度正相关，它们在ENL结合密集的基因上也结合更为密集。在MS41处理之后，这些转录相关蛋白在染色质上的结合均明显减少，在ENL结合密集基因上的减少尤为显著。最后，研究者使用白血病异种移植（xenograft）的小鼠模型验证了MS41在体内的作用效果。MS41处理显著延迟了异种移植小鼠的白血病进展，并延长了生存期。小鼠的中位生存期从对照组的37天延长至MS41组的49.5天。

综上所述，该研究开发出了一种高效且特异的降解ENL蛋白的PROTAC降解剂MS41,进而在细胞中和小鼠模型中验证了MS41抑制白血病细胞生长的分子机制。该研究结果强调了药物性降解ENL在治疗ENL依赖性癌症中的治疗潜力。因此，MS41不仅是一个有价值的化学探针，还可能成为进一步开发的抗癌治疗药物。