組蛋白去甲基化酶6抑制劑的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)活性研究

李博志 蘇禮君 王金凱

【摘 要】為深入探討組蛋白去甲基化酶6抑制劑的相關(guān)活性，此次研究在分析KDM6去甲基化作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，以已知的JMJDs強(qiáng)效抑制劑2，4-PCA，IOX1，GSK-J1作為先導(dǎo)化合物，通過(guò)‘點(diǎn)擊化學(xué)策略進(jìn)行先導(dǎo)化合物的合理結(jié)構(gòu)改造。并根據(jù)KDM6亞族的已知結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行抑制劑分子片段的合理設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化（SBDD），以提高小分子化合物對(duì)KDM6亞族的選擇性與抑制活性。

【關(guān)鍵詞】蛋白去甲基化酶;KDM6B;生物活性

【中圖分類(lèi)號(hào)】Q55?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1002-8714（2020）09-0126-01

表觀遺傳組蛋白去甲基化酶JMJDs因具有廣泛的生理活性，近年來(lái)，其相關(guān)的研究工作發(fā)展迅速，但目前包括KDM6在內(nèi)的JMJDs的詳細(xì)生物學(xué)功能及與諸多生命現(xiàn)象之間的確切關(guān)系仍未完全闡明，而JMJD靶向探針?lè)肿拥难邪l(fā)是解決上述問(wèn)題的有效手段，此次研究主要對(duì)組蛋白去甲基化酶KDM6抑制劑的相關(guān)活性進(jìn)行研究。

1 組蛋白去甲基化酶

表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域中，組蛋白賴(lài)氨酸的甲基化修飾是組蛋白共價(jià)修飾的一種重要形式，可調(diào)節(jié)染色質(zhì)狀態(tài)和基因表達(dá)，在包括胚胎發(fā)育、干細(xì)胞分化、DNA損傷修復(fù)、腫瘤形成發(fā)展等多種生命過(guò)程中起著重要作用[1]。組蛋白賴(lài)氨酸的甲基化修飾是一個(gè)動(dòng)態(tài)可逆的過(guò)程，甲基化/去甲基化修飾過(guò)程由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferases，HMTs）與組蛋白去甲基化酶（histone lysine demethylases，KDMs）協(xié)同催化調(diào)控。組蛋白去甲基化酶JMJDs屬于金屬氧化酶，其催化過(guò)程需要二價(jià)鐵離子和α-酮戊二酸（α-KG）的共同參與[2]。目前所報(bào)道的小分子抑制劑絕大多數(shù)為底物α-酮戊二酸的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，通過(guò)模仿上述α-酮戊二酸與金屬蛋白酶的結(jié)合方式，對(duì)JMJDs的催化活性產(chǎn)生抑制作用。

2 組蛋白去甲基化酶KDM6B與其底物多肽的識(shí)別及結(jié)合方式

已知KDM6亞族中的KDM6A、KDM6B及KDM6C的催化結(jié)構(gòu)域具有高度的同源相似性，（化合物GSK-J1對(duì)KDM6A、KDM6B及KDM6C具有相似程度的抑制活性）。為深入研究KDM6B生物活性，下面將其作為該亞族的代表性靶蛋白，進(jìn)行了KDM6亞族選擇性抑制劑的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)KDM6B已知的3D結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在其蛋白表面由R1246與P1388等氨基酸殘基共同構(gòu)成了一狹窄的底物結(jié)合口袋，而這一特殊的口袋結(jié)構(gòu)也是KDM6亞族所特有的。底物結(jié)構(gòu)中的S28等氨基酸殘基片段嵌入了由R1246與P1388等氨基酸殘基所共同構(gòu)成的狹窄口袋中。在該結(jié)構(gòu)中，抑制劑GSK-J1的苯環(huán)側(cè)鏈部分恰好同樣嵌入了由R1246與P1388等氨基酸殘基所共同構(gòu)成的狹窄口袋中，占據(jù)了該狹腔部分并競(jìng)爭(zhēng)性的阻礙了底物與KDM6B蛋白的有效結(jié)合，從而GSK-J1對(duì)KDM6亞族產(chǎn)生了一定的選擇性抑制作用[3]。

3 組蛋白去甲基化酶KDM6生物活性及分子對(duì)接

目前PDB蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（Protein databank）已收錄了數(shù)種KDM6B的蛋白晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)前期大量的對(duì)接實(shí)驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)其中已解析的KDM6B與GSK-J1共聚物的蛋白晶體結(jié)構(gòu)（PDB代碼：4ASK，分辨率：1.86?）可提供充足的對(duì)接空間以用于不同結(jié)構(gòu)衍生物的對(duì)接實(shí)驗(yàn)研究，因此本課題選取上述已解析的晶體結(jié)構(gòu)作為蛋白靶點(diǎn)，進(jìn)行了先導(dǎo)衍生物的對(duì)接研究工作。

在對(duì)接研究的起始階段，首先提取了KDM6B蛋白復(fù)合物晶體4ASK中的配體GSK-J1，并提取該配體進(jìn)行了再次的對(duì)接實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證對(duì)接方法的可靠性與準(zhǔn)確性。分子對(duì)接后選取打分最高的一組與原配體分子進(jìn)行疊合，發(fā)現(xiàn)對(duì)接的配體與原配體以相同的作用方式可近似完全疊合，其RMSD值為0.79 （小于1）。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該對(duì)接軟件及對(duì)接方法的可靠性與準(zhǔn)確性。

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)接軟件對(duì)大量先導(dǎo)衍生物進(jìn)行了能量?jī)?yōu)化及后續(xù)的對(duì)接實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)且具有適當(dāng)長(zhǎng)度的簡(jiǎn)單鏈狀衍生物均能夠較好的模擬底物2-OG的作用方式，與相應(yīng)的氨基酸殘基（N1400、K1381、T1387）形成氫鍵作用，同時(shí)與金屬離子產(chǎn)生配位作用。更重要的是，通過(guò)對(duì)接實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)長(zhǎng)度的側(cè)鏈片段能夠較好的模擬GSK-J1的苯環(huán)部分，使其末端的苯環(huán)以相似的伸展方式嵌入到R1246與P1388等氨基酸殘基形成的蛋白表面狹腔中。

4 結(jié)論

研發(fā)新型、高效的組蛋白去甲基化酶KDM6選擇性抑制劑，不僅可以作為有力的分子探針用于闡明KDM6的詳細(xì)生物學(xué)功能，對(duì)惡性腫瘤等重大疾病的診斷、防治及預(yù)后判斷都具有重要的指導(dǎo)意義，而且作為治療藥物，尤其是新型抗腫瘤藥物進(jìn)行新藥開(kāi)發(fā)的應(yīng)用前景也十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 申婕，曾志輝，楊雷，等.賴(lài)氨酸特異性去甲基化酶6A及其在白血病中的研究進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)， 2019， 41（4）：548-555.

[2] T唐宇，胡赟，羅丹，等.糖尿病環(huán)境下成骨細(xì)胞KDM6B表達(dá)的變化[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版， 2019， 50（5）：660-665.

[3] Labban D A ， Jo S H ， Ostano P ， et al. Notch-effector CSL promotes squamous cell carcinoma by repressing histone demethylase KDM6B[J]. Journal of Clinical Investigation， 2018， 128（6）：2581-2599。