UM171 与癌症突变体的结构模拟：揭示 E3 连接酶 KBTBD4 招募 HDAC1/2 的新机制及其医学意义

《Nature Communications》：Structural mimicry of UM171 and neomorphic cancer mutants co-opts E3 ligase KBTBD4 for HDAC1/2 recruitment

为探究新形态突变和药物引发的意外效应机制，研究人员对 KBTBD4 E3 连接酶展开研究。发现 UM171 和 KBTBD4 新形态癌症突变体通过 HDAC 脱乙酰酶结构域介导相互作用，该成果为癌症治疗药物研发提供了结构模型，意义重大。

　　在生命科学和医学领域，随着基因组和化学基因组数据的迅猛增长，人们逐渐发现致病突变和小分子药物的作用机制远比想象中复杂。许多突变和小分子不仅能导致蛋白质功能的丧失或获得，还会产生新形态效应，赋予蛋白质全新的功能 。例如，异柠檬酸脱氢酶（IDH1/2）突变会促使肿瘤形成，这是因为它诱导产生了致癌代谢物 2 - 羟基戊二酸；而免疫调节药物（IMiDs）则通过与 cereblon 建立分子胶相互作用，引发锌指蛋白的新形态破坏，从而产生抗肿瘤效果。然而，目前对于这些新形态功能的分子基础了解还十分有限，这在很大程度上限制了对疾病发病机制的深入理解以及治疗方法的开发。

在肿瘤研究中，髓母细胞瘤是一种常见的儿童恶性脑肿瘤，其中部分患者的 KBTBD4 E3 连接酶的 Kelch 结构域会出现反复的插入缺失突变。这些突变会重新编程表观遗传程序，促进癌细胞干性，但其具体机制尚不清楚。同时，造血干细胞（HSC）移植是治疗癌症患者的重要手段，但脐带血中祖细胞数量有限，严重制约了其应用。UM171 作为一种用于 HSC 移植的研究性药物，虽在临床试验中展现出一定潜力，可它诱导 CoREST 复合物降解的机制却不明确。

为了深入探究这些问题，来自英国牛津大学药物发现中心、匈牙利 Servier 药物化学研究所等多个机构的研究人员展开了一系列研究 。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为相关领域带来了新的突破。

研究人员在本次研究中主要运用了冷冻电镜（Cryo - EM）、微尺度热泳（MST）、免疫沉淀和免疫印迹等关键技术 。通过这些技术，他们对野生型和突变型 KBTBD4 与相关蛋白的相互作用进行了深入研究。

研究结果主要包含以下几个方面：

1. CoREST 复合物招募机制：研究发现，招募 CoREST 复合物需要全长的KBTBD4R313PRR二聚体。单独的 Kelch 结构域无法模拟全长KBTBD4R313PRR与 CoREST 复合物的结合，只有二聚体形式且包含携带新形态突变的 Kelch 结构域才能实现有效结合 。这表明二聚体的 BTB 结构域和突变的 Kelch 结构域在 CoREST 复合物招募过程中起着关键作用。
2. KBTBD4 与 CoREST1 的结合区域：通过对 CoREST1 不同片段的研究，确定了KBTBD4R313PRR与 CoREST1 的 N - 末端区域结合，特别是 NT1 和 NT2 片段 。这一发现明确了两者相互作用的关键区域，为进一步理解其作用机制奠定了基础。
3. UM171 的作用机制：研究证实CoREST1NT2 - HDAC2 是KBTBD4R313PRR和KBTBD4WT - UM171 的共同结合实体。UM171 作为一种分子胶，能够招募野生型 KBTBD4 与 CoREST 复合物结合，其作用模式与 R313PRR 突变相似 。在细胞实验中，UM171 诱导的复合物与KBTBD4R313PRR复合物具有相似的结合特性，且在体外泛素化实验中，UM171 能依赖野生型 KBTBD4 实现对 HDAC2 的泛素化，这与突变型 KBTBD4 的作用效果一致。
4. Cryo - EM 结构分析：Cryo - EM 结构显示，HDAC2 是 UM171 和 KBTBD4 新形态突变体的直接相互作用蛋白 。在不同的 KBTBD4 - HDAC2 复合物结构中，HDAC2 与 KBTBD4 的两个 Kelch 结构域结合，且 KBTBD4 的结构特点，如较短的 BACK 结构域等，有助于其与 HDAC2 的结合。同时，UM171 结合在 KBTBD4 和 HDAC2 的界面，通过与两者的相互作用稳定复合物，其结合模式与 KBTBD4 突变体的结合模式存在相似性，表现出结构模拟现象。
5. UM171 衍生物的结构 - 活性关系（SAR）：对 UM171 衍生物的 SAR 分析表明，对 UM171 不同位点（R1 - R4）的修饰会显著影响其活性 。例如，R1 位点的修饰中，一些取代基会导致活性丧失，而羧酸甲酯则能增强活性；R3 位点的苄基对其活性至关重要，去除或改变该基团会降低活性。这些结果为 UM171 的进一步优化提供了重要依据。

研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了 KBTBD4 的新形态机制，明确了 HDAC1/2 是招募 LSD1 - CoREST - HDAC1/2 复合物的直接相互作用蛋白，并且发现 UM171 在结构上模拟癌症突变环，作为分子胶促进野生型 KBTBD4 与 HDAC1/2 结合 。这不仅解决了 UM171 作用机制长期以来的谜题，还为理解新形态底物招募提供了重要的结构基础。研究还发现，在细胞中 HDAC1/2 可与不同蛋白组装成不同的抑制复合物，而 KBTBD4 的结构特点决定了其与不同复合物的结合能力，这为研究新形态底物特异性提供了方向。此外，KBTBD4 作为一种新的 E3 连接酶，参与分子胶作用，为开发新型分子胶和靶向治疗提供了新的靶点和思路。未来，有望通过筛选更多自然选择的 E3 连接酶或进行更广泛的基因筛选，加速新型分子胶的发现，为癌症治疗等领域带来新的突破。