近年来白血病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β-Actin表达水平的免疫印迹。（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。
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）和白血病干细胞基因（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。Van Andel研究所的博士后薛兆玉和玄鸿文，西奈山Icahn医学院的博士后秦立怀和罗开秀为论文的共同第一作者，闻宏教授和金坚教授为论文的共同通讯作者。本研究获得了Van Andel研究所石晓冰团队和北卡莱罗纳大学陈贤团队的支持。
闻宏课题组专注于研究表观调控在基因转录和疾病发生中的作用机制，其研究获得NIH和Leukemia and Lymphoma Society的基金支持。该课题组欢迎对表观调控和癌症研究有兴趣的博士后加入！请访问实验室网站了解更多信息https://wenlab.vai.org/。https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或扫描二维码投递简历原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado1432
制版人：十一
1. Wan L, Wen H, Li Y, Lyu J, Xi Y, Hoshii T, Joseph JK, Wang X, Loh YE, Erb MA, Souza AL, Bradner JE, Shen L, Li W, Li H, Allis CD, Armstrong SA, and Shi X. ENL links histone acetylation to oncogenic gene expression in acute myeloid leukaemia. Nature, 2017; 832 543, 265-269.
2. Dale B, Cheng M, Park KS, Kaniskan HÜ, Xiong Y and Jin J. 2021. Advancing targeted protein degradation for cancer therapy. Nature Reviews Cancer, 2021; 21(10), pp.638-654.
3. Ma XR, Xu L, Xu S, Klein BJ, Wang H, Das S, Li K, Yang KS, Sohail S, Chapman A, Kutateladze TG, Shi X, Liu WR, and Wen H. Discovery of selective small-molecule inhibitors for the ENL YEATS domain. Journal of medicinal chemistry, 2021; 64(15), pp.10997-11013.
4. Raux B, Buchan KA, Bennett J, Christott T, Dowling MS, Farnie G, Fedorov O, Gamble V, Gileadi C, Giroud C, Huber KVM, Korczynska M, Limberakis C, Narayanan A, Owen DR, Saez LD, Stock IA, and Londregan AT. Discovery of PFI-6, a small-molecule chemical probe for the YEATS domain of MLLT1 and MLLT3. 2023; Bioorg Med Chem Lett, 129546.
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