UM171粘附不对称的CRL3-HDAC1/2组装以降解CoREST协抑制子

UM171在肌醇己基磷酸的帮助下，作为分子胶诱导KBTBD4-HDAC1/2相互作用，从而促进协同抑制因子降解。

　　

揭秘 UM171：改写蛋白调控规则的 “分子胶水”

在生命科学的前沿探索中，哈佛大学化学与化学生物学系等多单位的研究人员取得了一项重大突破。他们在顶尖学术期刊《Nature》上发表了题为 “UM171 glues asymmetric CRL3–HDAC1/2 assembly to degrade CoREST corepressors” 的论文，为深入理解造血干细胞调控机制以及开发新型靶向治疗策略带来了新曙光。

造血干细胞（Hematopoietic Stem Cells，HSCs）在维持血液系统稳定和再生方面至关重要，其体外扩增技术是细胞治疗领域的关键。小分子化合物 UM171 作为 HSCs 体外自我更新的强效激动剂，已在临床前研究和部分临床试验中展现出应用潜力，但它究竟如何发挥作用，一直是科学界亟待解开的谜题。该研究聚焦于此，致力于揭示 UM171 的作用机制，这不仅有助于完善对造血干细胞调控网络的认知，还可能为开发更高效、更精准的细胞治疗方案提供理论基石，对再生医学、血液疾病治疗等领域意义深远。

论文摘要如同研究的 “精华浓缩包”，精炼地概括了核心发现。研究人员发现，UM171 作为一种分子胶水（molecular glue），能够诱导 KBTBD4（CUL3 - RING E3 泛素连接酶（CRL3）复合物的底物受体）与 HDAC1/2 之间产生高亲和力相互作用，进而促进 CoREST（一种核心抑制因子）的降解。通过蛋白质组学、化学抑制剂研究以及冷冻电镜（Cryo - Electron Microscopy，Cryo - EM）分析等多维度研究手段，他们深入解析了 UM171 的作用机制，揭示了其与相关蛋白形成复合物的结构基础，为理解小分子降解剂如何利用二聚体 E3 的协同作用提供了关键线索。

研究背景：迷雾中的探索

小分子降解剂（Degraders）可促进蛋白质的泛素化（Ubiquitination）和降解，根据作用方式分为单价分子胶水和双功能蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs）。分子胶水虽有独特优势，但因其作用机制复杂、对 E3 支架偏好性了解不足，开发进程较为缓慢。在已知的分子胶水中，植物激素生长素和茉莉酸、人类细胞中的沙利度胺及其衍生物等，均作用于特定的 E3 连接酶。CRL3 作为 CUL - RING 连接酶（CRLs）家族中最大的成员，拥有近 200 种底物受体，其家族成员以组成型同源二聚体形式存在，具备协同结合能力，然而，CRL3 能否被分子胶水降解剂利用，一直是个未解之谜。

UM171 源自 UM729，在造血干细胞扩增的表型筛选中脱颖而出，尽管已在临床前和临床试验中广泛应用，但其作用机制却扑朔迷离。此前研究虽发现 UM171 可诱导赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶 1a（LSD1）和 CoREST 降解，但直接靶点和作用机制依旧成谜，这也成为研究人员开启此次探索之旅的重要契机。

研究方法：多技术协同破难题

1. 蛋白质组学分析：研究人员在 SET - 2 和 MV4;11 两种对 UM171 敏感的细胞系中，分别用二甲基亚砜（DMSO）或 UM171 处理 6 小时，随后进行全局蛋白质组学分析，以确定 UM171 处理后蛋白质的变化情况。同时，利用 K - ε - GG 肽富集技术进行泛素蛋白质组学分析，探究蛋白质的泛素化修饰位点。
2. 基因编辑技术：借助 CRISPR - Cas9 技术构建多种基因敲除和敲入细胞系，如敲除 LSD1、HDAC1、HDAC2 等基因，或在特定基因位点引入 dTAG degron tag 等，用于研究基因功能及相关蛋白在 UM171 作用机制中的角色。此外，运用碱基编辑器扫描技术对 HDAC1 和 KBTBD4 进行系统性突变，筛选影响 CoREST 降解的关键位点。
3. 生化与生物物理方法：采用荧光偏振（FP）、时间分辨荧光共振能量转移（TR - FRET）、微尺度热泳（MST）等技术，检测蛋白质 - 蛋白质、蛋白质 - 小分子之间的相互作用。通过体外泛素化实验，验证 CRL3KBTBD4 对 LHC 的泛素化作用以及 UM171 的影响。
4. 冷冻电镜技术：制备 KBTBD4 - UM171 - LHC 复合物，利用冷冻电镜解析其三维结构，分辨率达到 3.77 ?，从原子层面揭示复合物的组装方式和相互作用界面。

研究结果：拨云见日现真相

1. UM171 降解特定 HDAC1/2 复合物：蛋白质组学分析显示，UM171 处理后，LSD1、CoREST 及其部分同源物等蛋白显著减少，且这些蛋白多与 LHC 复合物相关。时间进程分析表明，CoREST 在 UM171 处理后迅速减少，随后 LSD1 减少，而 HDAC1 和 HDAC2 的减少相对滞后。通过荧光报告系统和定点突变实验发现，CoREST 的 ELM2 结构域以及 HDAC1/2 与核心抑制因子的相互作用，对 UM171 介导的核心抑制因子降解至关重要。
2. HDAC1/2 介导 LHC - KBTBD4 复合物形成：在 K562 细胞系中进行基因编辑实验，发现敲除 HDAC1 或 HDAC2 可部分挽救 UM171 诱导的 CoREST - GFP 降解，而敲除 LSD1 则无此效果，表明 HDAC1/2 在 UM171 作用机制中不可或缺，且二者功能冗余。FP、TR - FRET 等实验证实，UM171 能稳定 KBTBD4 与 HDAC1/2 - CoREST 形成的三元复合物，该复合物的形成依赖于 HDAC1/2 和肌醇六磷酸（InsP6）。
3. KBTBD4 - UM171 - LHC 的冷冻电镜结构：冷冻电镜结构显示，KBTBD4 - UM171 - LHC 复合物呈不对称架构，KBTBD4 二聚体的两个原聚体通过不同界面与 HDAC1 结合，UM171 和 InsP6 分别作为分子胶水，稳定复合物结构。KBTBD4 在结合 LHC 前后发生显著构象变化，HDAC1 与 KBTBD4 - A、KBTBD4 - B 的结合界面也各具特点，这些结构特征为理解 UM171 作用机制提供了直观依据。
4. HDAC1 和 KBTBD4 的碱基编辑器扫描：运用碱基编辑器扫描技术对 HDAC1 和 KBTBD4 进行研究，发现 HDAC1 中与 UM171 结合位点及 KBTBD4 - B 相互作用区域的突变，会显著影响 CoREST 的降解。在 KBTBD4 中，多个关键区域的突变同样会阻断 CoREST 的降解，这些结果在细胞内验证了冷冻电镜结构所揭示的复合物界面的重要性。

研究结论与讨论：开启新篇章

这项研究成功揭示了 UM171 作为分子胶水的作用机制，确定 HDAC1/2 为其直接靶点。UM171 通过诱导 KBTBD4 与 HDAC1/2 相互作用，促进 CoREST 等核心抑制因子的降解，为调控造血干细胞命运提供了新的分子机制。冷冻电镜结构展示了复合物的精细架构，阐释了分子胶水和 InsP6 协同稳定复合物的模式，拓展了对分子胶水作用机制的认知。

此外，研究表明 CRL3 可被分子胶水重新编程，这为开发基于 CRL3 的小分子降解剂开辟了新方向。UM171 的作用机制也为靶向 HDAC1/2 提供了新策略，其不仅能抑制 HDAC1/2 活性，还可降解相关复合物亚基，为治疗血液疾病及其他相关疾病提供了潜在的药物研发靶点。

总的来说，该研究成果极大地丰富了人们对小分子降解剂的理解，为蛋白质调控领域注入了新活力，有望推动细胞治疗、药物研发等多领域的创新发展，让我们在攻克生命科学难题的道路上又迈出了坚实的一步。