為表觀遺傳學(xué)靶標(biāo)開發(fā)化學(xué)探針

結(jié)構(gòu)基因組聯(lián)盟 (Structural Genomics Consortium, SGC) 成立于 2004 年，其目標(biāo)是解析與人類疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。從那時(shí)起，該組織的使命不斷擴(kuò)展，以公開共享資源和知識(shí)為手段，推進(jìn)新藥的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程。最初，SGC 有兩處基地，分別在多倫多大學(xué)(加拿大)和牛津大學(xué)(英國(guó))。現(xiàn)在，SGC 蓬勃發(fā)展，在全球建立更多基地，包括卡羅琳斯卡醫(yī)學(xué)院(瑞典)、北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校(美國(guó))、法蘭克福大學(xué)(德國(guó))、坎皮納斯州立大學(xué)(巴西)和蒙特利爾神經(jīng)科學(xué)研究所(加拿大麥吉爾大學(xué))。SGC 與全球各地的九家制藥公司和數(shù)以百計(jì)的大學(xué)研究人員坦誠(chéng)合作，為達(dá)成科研目標(biāo)而努力。所有研究成果均全面共享，沒(méi)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制。

2009 年，借助我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，SGC 推出了一個(gè)計(jì)劃，用以開發(fā)靶向表觀遺傳學(xué)蛋白質(zhì)的小分子抑制劑和拮抗劑，也就是化學(xué)探針。對(duì)于 SGC 所有專注于開發(fā)化學(xué)探針的計(jì)劃而言，結(jié)構(gòu)生物學(xué)都是重要組成部分。例如，在表觀遺傳學(xué)化學(xué)探針計(jì)劃開始時(shí)，SGC 只擁有大約 44 個(gè)蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，它們是一些具有布羅莫結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)、甲基轉(zhuǎn)移酶和甲基賴氨酸解讀蛋白質(zhì)。如今，SGC 在這些蛋白質(zhì)家族中已經(jīng)擁有超過(guò) 400 個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，總的晶體結(jié)構(gòu)擁有量接近 2100 個(gè)。SGC 還進(jìn)一步建立了多個(gè)不同渠道來(lái)共享這些數(shù)據(jù)，包括 Chromohub 和 Target Enabling Package 等。

化學(xué)探針開發(fā)：化學(xué)探針的開發(fā)方式是迭代式的，其過(guò)程包括體外篩選、?靶點(diǎn)結(jié)合確認(rèn)和藥物化學(xué)優(yōu)化，直到找到藥效達(dá)到 < 100 nM 的活性化合物。迭代過(guò)程包括單點(diǎn)濃度篩選、量效關(guān)系確認(rèn)、構(gòu)效關(guān)系 (SAR) 和初步選擇性檢驗(yàn)。之后的步驟是評(píng)估在細(xì)胞中的效價(jià)(和/或靶標(biāo)親和)。第一次試驗(yàn)時(shí)活性化合物很少能達(dá)到細(xì)胞效價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。體外篩選和藥物化學(xué)優(yōu)化將持續(xù)進(jìn)行，直至開發(fā)出能達(dá)到細(xì)胞活性標(biāo)準(zhǔn)的高效化合物。SGC 將化學(xué)探針定義為符合以下標(biāo)準(zhǔn)的小分子：

體外 IC50 或 Kd < 100 nM

> 30 倍的同族蛋白質(zhì)選擇特異性

1 μM 濃度下具有顯著靶向細(xì)胞活性

為了盡可能降低脫靶的意外效應(yīng)，SGC 還致力于為每種化學(xué)探針尋找一種化學(xué)構(gòu)型匹配的陰性對(duì)照。對(duì)照物會(huì)經(jīng)過(guò)與化學(xué)探針同樣嚴(yán)格的體外選擇性和細(xì)胞活性評(píng)估。探針和對(duì)照物均會(huì)受到一系列選擇性篩選，其中包含 119 種細(xì)胞膜受體、離子通道和激酶，此篩選過(guò)程通過(guò)北卡羅來(lái)納大學(xué)和歐陸科技集團(tuán)的精神促動(dòng)藥物篩選計(jì)劃 (Psychoactive Drug Screen Program, PDSP) 進(jìn)行。

每種化學(xué)探針都來(lái)自 SGC 制藥公司合作伙伴中藥物化學(xué)家或?qū)W術(shù)研究人員的坦誠(chéng)合作，他們同意在學(xué)術(shù)研究界免費(fèi)共享這些分子。到目前為止，SGC 化學(xué)探針計(jì)劃已經(jīng)研制出 40 多種選擇性化學(xué)探針，能夠拮抗或抑制表觀遺傳學(xué)靶標(biāo)的特定結(jié)構(gòu)域：https://www.thesgc.org/chemical-probes。

SGC 成功發(fā)現(xiàn)了能修改((脫)甲基化，乙?；?或結(jié)合(甲基/乙?；嚢彼?組蛋白 H3 和 H4 的蛋白質(zhì)化學(xué)探針。值得注意的是，WDR5 和 EED 的賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶拮抗劑引起了研究人員的較大興趣，因?yàn)樗鼈冏罱K能夠通過(guò)一種別構(gòu)機(jī)制分別抑制 MLL1(可寫入 H3K4me3 標(biāo)記)和 PRC2(可寫入 H3K27me3)。PRC2 是一個(gè)很好的例子，其中的甲基轉(zhuǎn)移酶抑制作用即可直接發(fā)生(通過(guò) EZH2/H1)，也可別構(gòu)發(fā)生(通過(guò) EED)。使用正交探針(通過(guò)化學(xué)型或作用模式)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)靶標(biāo)，可讓研究人員更全面地了解其背后的生物學(xué)機(jī)制以及得到的表型。這也能讓研究人員進(jìn)行更多對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)(陰性)對(duì)照化合物的使用起到了補(bǔ)充作用。除了靶向組蛋白的甲基轉(zhuǎn)移酶，SGC 還研發(fā)出了主要底物是胞質(zhì)蛋白(非組蛋白)靶標(biāo)的甲基轉(zhuǎn)移酶化學(xué)探針。這些探針包括 SMYD2、SMYD3 和 PRMT4。

共享化學(xué)探針：SGC 使用“信托協(xié)議”而非“材料轉(zhuǎn)移協(xié)議”，以小份為單位，與研究人員共享每一種化學(xué)探針。在這種安排下，樣品的接收者同意成為材料的受托人，且必須將研究成果公開，不設(shè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制，從而將其用于推動(dòng)公眾福祉 (https://www.thesgc.org/click-trust/faqs)。此外，SGC 與 Tocris 等商業(yè)合作伙伴攜手，將最新的化學(xué)探針提供給研究人員。

影響：從發(fā)表文獻(xiàn)中可以看出，越來(lái)越多易于“藥品化”的表觀遺傳學(xué)靶標(biāo)已經(jīng)使用了化學(xué)探針。這些探針的作用十分巨大，能夠加深研究人員對(duì)靶標(biāo)在各種生物學(xué)模型下作用的理解。SGC 化學(xué)探針在轉(zhuǎn)譯研究領(lǐng)域同樣大放異彩。BET、EZH2、DOT1L、LSD1 和 PRMT5 化學(xué)探針的擬似物目前已用于臨床試驗(yàn)。

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