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zliming2004的博客

新药研发与药物合成

 
 
 

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表观遗传学蛋白质家族:对药物发现一个新前沿  

2017-03-17 16:44:56|  分类: 药物化学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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http://blog.sina.com.cn/s/blog_5948305d0101gtx6.html
Epigenetic protein families:a new frontier for drug discovery
Nature Reviews Drug Discovery 11,384-400 (May 2012)
汤教授注:表观遗传学(Epigenetic)和药物发现是当前非常热门的主题,但是对这个复杂新颖不容易清楚阐明。这篇文章比较全面和系统介绍,而且图、表、名词解释和带有评述的完整的参考文献。都使读者非常容易了解这个问题。
摘要:基因表达表观遗传学的调节是确定正常细胞表型一个动力学和可逆过程但对人类疾病有贡献。在分子水平上,表观遗传学调节涉及分层的共价修饰DNA和包装DNA蛋白质,例如组蛋白。在此,我们综述关键通过组蛋白乙酰化作用和甲基化作用蛋白质家族介导表观遗传学信号,包括组蛋白 去乙酰化酶,蛋白质甲基转移酶,赖氨酸去甲基化酶,溴结构区-含蛋白和结合至甲基化组蛋白的蛋白质. 这些蛋白质家族是出现如酶可成药的类别和蛋白–蛋白相互作用结构区的可成药类别。在本文中,我们讨论了与疾病已知连接,基本分子学作用机制和蛋白质的各个类别的药理学调节中最近进展。
本文常用名词解释和定义:
染色质
纤维其中DNA和基因被组装在细胞的细胞核。染色质由DNA双螺旋包裹组蛋白蛋白质复合物周围组成 — 在一起被称为核小体。
表观遗传学 
在基因表达或表型中可遗传的变化,在细胞分裂,和有时世代间稳定,但是不涉及有机体DNA序列变化。 
分化 
一种干细胞,或其他前体细胞,遵守安排向一种更有特异性功能,和代表退出自我更新的过程。分化受细胞信号通路控制和通过表观遗传学机制维持。
转录后修饰
蛋白质的一个化学修饰作用如同一个信号至识别修饰的其他蛋白质。在表观遗传学信号文中,转录后修饰常被称为‘标志’。 
表观基因组
组蛋白和DNA转录后修饰和相关相互作用蛋白质的组合一起包装基因组和有助定义在给定细胞中转录编程。 
异质染色质
DNA伴随转录沉默或压抑基因一种紧密包装型式。它与二-和三甲基化H3K9 (组蛋白3的Lys9)标志高度相关。 
常染色质
一种DNA伴随转录活性基因的更疏松包装型式。
溴结构区 
一个进化上保守的,~110 氨基酸结构域由四个左手,反平行α 螺旋组成。
干细胞 
一种非特定前体细胞有自我更新(不断产生不变的后代)和分化至更成熟特定细胞类型能力。. 
单倍剂量不足
一种疾病机制其中两个拷贝之一被突变,导致基因产物活性不充分(典型地一种蛋白)携带关于功能性野生型条件。 
短指智力低下综合征[Brachydactyly mental retardation syndrome] 
一种疾病存在一个范围的特点,包括智力障碍,发育延缓,行为异常,睡眠障碍,颅面和骨骼异常,和自闭症谱障碍。
Presenilins 
一个多次通过穿越膜蛋白质相关家族功能如同γ-分泌酶膜内蛋白酶复合物的一部分。它们在家族性阿尔茨海默氏病型式中对突变致早期发作型式筛选中被首次鉴定。
肌萎缩性侧索硬化症 
一种进行性神经学疾病伴随中枢和脊髓运动神经元的退行变性。这神经元丧失致肌肉软弱和消瘦,导致麻痹。
交叉形结构区 
一个保守的结构区原先在交叉形家族的转录因子中被鉴定,现已知是组蛋白去甲基化酶。交叉形C结构区包括2-酮戊二酸-依赖赖氨酸去甲基酶的催化结构区。
高血糖记忆 
一种现象其中在通常血糖控制恢复后有害终末器官的影响来自高血糖水平持续几年暴露结果。
恶性脑肿瘤结构区
在某些发育蛋白质发现保守的序列结构域。这些结构区结合至含肽单-或二甲基化-赖氨酸和,当在果蝇中缺失时,导致脑肿瘤。
变构刺激 
一个酶或蛋白的调节通过结合一个效应器分子除蛋白活性位点外的一个位点,因此致蛋白构象变化。
P300/CBP-关联因子
一个含一个溴结构区和一个组蛋白乙酰基转移酶结构区的转录共活化剂蛋白。
π电子相互作用 
芳香环的π-电子云和阳离子电荷间非共价相互作用,例如,甲基化赖氨酸。

虽然一个有机体中所有细胞继承相同遗传物质,细胞维持独特生理学特征和特殊组织和器官的生物学功能的能力是由于DNA和染色质的包装中遗传差异。这些差别支配规定[dictate]不同细胞基因表达程序但不涉及在有机体的DNA序列中变化。从而,表观遗传学(其字面意思‘遗传上面’)支撑人体生理机能的根本基础。重要的是,一个细胞的表观遗传学状态是顺从性的[malleable];它涉及细胞分化和一个有机体的发育期间以有序方式,和表观遗传学变化负责细胞可塑性使细胞重新编程和对环境反应。因为表观遗传学机制负责在细胞水平整合环境的线索,它们在疾病相关死亡,生活方式,早期生活经验和对毒素环境的暴露的重要作用[1]。从而,在多种疾病例如癌症,炎症,代谢性疾病和神经精神障碍,以及在再生医学表观遗传学是治疗性相关[2–4]。 
表观遗传学的动力学性质意味着通过涉及这个过程的分子因子的直接操作改变疾病-关联的表观遗传学状态的可能性。几个互相关联的分子机制表观遗传学基因调节有贡献,包括通过ATP-依赖过程和组蛋白变异体的交换,被非编码RNAs调节,甲基化作用染色质重建和DNA上胞嘧啶的相关修饰,以及组蛋白5的共价修饰(图1)。DNA甲基化作用的抑制剂和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂被批准在血液学恶性病临床使用,从而 提供对表观遗传学治疗概念证明[6]。在过去十年,涉及组蛋白转录后修饰蛋白质的知识突飞猛进。这些蛋白质包括几个酶相关家族和染色质-相互作用蛋白质,和是潜在治疗靶点的丰富来源。在此,我们综述涉及处置,去除或结合至乙酰和甲基蛋白质 — 两个最丰富的组蛋白转录后修饰(常被称为组蛋白标志)。我们重点在乙酰和甲基组蛋白标志的介导物因为它们在几种疾病中的突出作用,以及这些蛋白质的许多被小分子抑制是易感性出现现实。
定义可成药的表观基因组
乙酰化作用和甲基化作用网络定义人类表观基因组的一个巨大组分. 虽然几种组蛋白转录后修饰 — 包括磷酸化和泛素化 — 是表观基因组的重要组分,乙酰基和甲基标志是最丰富的和是被最广泛研究,并有巨大数目可成药的蛋白质介导其动力学活性。表观遗传学调节的一个特点是被介导组蛋白标志是协同标志的组合影响特异性细胞结局 — 常称为组蛋白编码假说[7–10](图1). 例如,最近跨越9个不同的细胞类型基因组的9个乙酰和甲基组蛋白标志图显示标志的组合确定15个染色质状态相关于周围基因的转录活性[11]。
的9个乙酰和甲基组蛋白标志图显示标志的组合确定15个染色质状态相关于周围基因的转录活性[11]。 


图1组蛋白和DNA的共价修饰是表观遗传学调节基因表达涉及关键机制。通过包装在组蛋白蛋白质周围DNA被包装至染色质(每个组蛋白H2A,H2B,H3和H4两个拷贝)形成核小体。通过附加蛋白质因子进一步挤压形成染色质,挤压程度依赖于转录后修饰存在于组蛋白类型,特别是在从核小体颗粒突出的末端残基。乙酰化的组蛋白趋向较低挤压和对RNA聚合酶和转录机制更易接近,从而使附近的基因转录。甲基化组蛋白可被或压制或激活,依赖于甲基化作用的位点和程度。对各组蛋白修饰的结合和/或核小体确定附近的基因的转录性质相关的编码。在插入中示范介导组蛋白转录后修饰主要蛋白质家族。共价附着乙酰或甲基蛋白质产生(或‘写入’)该码(这些包括组蛋白乙酰转移酶和组蛋白甲基转移酶)和被称为 ‘写入器’。识别和结合至组蛋白修饰蛋白质被称为码的‘阅读器’(这些包括溴结构区,植物homeodomains (PHDs)和甲基-赖氨酸-结合结构区的王室[royal]家族的成员)。去除组蛋白标志的酶被称为‘抹去器’(这些包括组蛋白去乙酰化酶和赖氨酸去甲基化酶)。

通过保守的蛋白质结构区的几个类别,通常较大多蛋白复合物的上下文内识别个体标志和标志的组合。从而,组蛋白标志和多蛋白复合物结合至它们对染色质物理学结构有贡献和对基因组含特异性组蛋白标志位点特异性蛋白质的补充。例如,酶的大多数是甲基或乙酰组蛋白标志的‘写入器’是巨大蛋白质,除了它们的催化结构区,含其他结构区或区域‘阅读’组蛋白标志和/或与DNA或其他蛋白质相互作用。在一起,这些蛋白质来自复合物整合上游细胞学和环境的信号建立和维持细胞的同一性和对发生贡献和/或维持疾病状态[10]。由于过去十年显著进展,我们现在知道调节蛋白质‘阅读’,‘写入’和‘抹去’主要组蛋白标志的基本补足。这些总结在表1中,和在图2中作为结构性系统进化树和蛋白质进化相关家族进一步描述。 

表1注释:EGF,表皮生长因子;EP300,E1A-关联的蛋白p300;GNAT,甘氨酸-N-乙酰转移酶-样蛋白1;MBT,恶性脑肿瘤结构区;MYST,组蛋白乙酰基转移酶MYST;PHD,植物溴结构区;PRDM,含- PR结构区蛋白;PRMT,蛋白精氨酸甲基转移酶。*在组蛋白的特异性赖氨酸或精氨酸侧链上形成表观基因组贮存主要蛋白质家族(‘写入’),结合至(‘阅读’)或去除(‘抹去’)甲基标志(橙色方块)或乙酰标志(蓝色圆圈),入表中所总结。组蛋白乙酰转移酶和蛋白质甲基转移酶分别是负责写入乙酰和甲基标志的酶。组蛋白去乙酰化酶和赖氨酸去甲基化酶抹去标志。溴结构区结合乙酰化的赖氨酸(由米色形状所示),而Tudor结构区,MBT结构区,染色质结构区和PWWP结构区在赖氨酸或精氨酸残基(由米色形状所示)上结合甲基标志,大量蛋白质中存在PHD指[fingers]和阅读赖氨酸或精氨酸测量,以及为修饰的赖氨酸上或甲基或乙酰标志。

组蛋白乙酰化作用. 
自从1964年首次描述组蛋白乙酰化作用(文献12),已经被确定这是一个高度动力学过程,被两个酶家族调节 — 组蛋白乙酰转移酶(HATs)和组蛋白去乙酰化酶(HDAC s) — 以彼此对抗方式操作。HATs用乙酰-CoA作为辅助因子和催化一个乙酰基转移至在组蛋白蛋白质上赖氨酸侧链的ε 氨基。这中和赖氨酸上正电荷,因此减低从DNA核心核小体突出组蛋白尾的亲和力。其结果是,染色质采用更松弛结构,使转录机制补充。组蛋白去乙酰化酶(HDACs)组蛋白乙酰转移酶(HATs)起相反影响和逆转赖氨酸残基乙酰化作用恢复其正电荷和稳定化局部染色质结构。


图2表观遗传学蛋白质家族系统进化树。在它们氨基酸序列相似性的基础上蛋白质被群集在分支上。系统进化表示相关蛋白质结构上(和有时功能上)群集趋向。药物靶向一个特异性蛋白更可能对的同一分支上其他蛋白质将有活性。用不同颜色突出不同系统进化分支(在恶性脑肿瘤(MBT)家族情况中,其中只有少数MBT结构区是真实结合甲基-赖氨酸,红色码表示分支其中所有已知的甲基-赖氨酸-结合结构区被群集)。我们在人类蛋白质参比数据库通过寻找与‘写入’,‘阅读’和‘抹去’乙酰和甲基标志关联的结构区组装蛋白质家族,和用文献数据以及来自Pfam蛋白质家族数据库[protein family database]和SMART(Simple Modular Architecture Research Tool)数据库数据补充这份清单。在树中概述系统发生[phylogeny]是衍生自家族被命名后(对乙酰转移酶用全长序列作为催化结构区并不常常清楚地定义这个家族)结构区的多序列对齐。如果一个结构区在某个蛋白质中存在多个时间,这个蛋白质在相应树中多个时间显示,接着在括号内通过连续迭代结构区:例如,L3MBTL(2)相当于蛋白L3MBTL第二个MBT结构区,如果多个变异体有插入或缺失被报告为一个基因,变异体数按照第二个Swiss-Prot TRIM33变异体(三个一组结构域-含蛋白33)溴结构区。对每个树,从可得到蛋白结构通过在三维空间重叠对齐残基衍生一个对齐种子。附加序列通过对齐它们至最靠近序列种子被追加填补。蛋白甲基转移酶家族的较大版本被报告包括许多假定的精氨酸甲基转移酶;在此不描绘这些因作者说他们不意味着这些蛋白质是蛋白精氨酸甲基转移酶本身[per se][173]。对进一步树,以及对序列和结构区边界详细内容,请见补充资料S1–S10(表)和补充资料S11–S14(图)。结构区边界或对齐方法的小变异可能导致系统发生中次要变化[15,173]。  ASH1L,ASH1 样蛋白;ATAD2,ATPase家族AAA结构区-含蛋白 2;ATAT1,α-微管蛋白 乙酰基转移酶1;BAZ2A,溴结构区邻近至锌指结构区蛋白2A;BPTF,溴结构区PHD指转录因子;BRD1,溴结构区含蛋白1;BRDT,溴结构区睾丸-特异性蛋白;BRPF1,溴结构区和PHD指-含蛋白1;BRWD1,溴结构区和WD重复-含蛋白1;CECR2,猫眼综合征染色体区备选蛋白2;CLOCK,昼夜运动输出周期kaput蛋白;CREBBP,CREB结合蛋白;DOT1L,DOT1 样蛋白;EHMT1,常染色质组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶1;ELP3,延伸物复合物蛋白3;EP300,E1A结合蛋白 p300;EZH1,组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶EZH1;GTF3C4,一般转录因子3C多肽4;HAT,组蛋白乙酰酶;HDAC,组蛋白去乙酰化酶;JARID2,交叉形/ARID结构区-含 蛋白 2;JMJD1C,交叉形结构区-含 蛋白 1C;KAT2A,赖氨酸乙酰基转移酶2A;KDM,赖氨酸去甲基酶;KDM1A,赖氨酸-特异性组蛋白去甲基酶1A;L3MBTL,致死性3 MBT-样蛋白1;MBTD1,MBT结构区-含蛋白1;MDS1,骨髓增生异常综合征1;MINA,MYC-诱发细胞核抗原;MLL,混合系白血病;MYST1,组蛋白乙酰基转移酶MYST1;NCOA1,核受体共活化剂1;NO66,核仁蛋白66;NSD1,核受体结合SET结构区 蛋白 1;PBRM1,蛋白多溴1;PHF2,PHD指蛋白2;PHIP,pleckstrin同源结构区相互作用蛋白;PMT,蛋白甲基转移酶;PRDM1,PR结构区-含蛋白1;PRMT1,蛋白精氨酸甲基转移酶1;SETD1A,SET结构区含蛋白1A;SETD2,SET结构区-含蛋白2;SETMAR,SET结构区和水手转座子的融合基因[mariner transposase fusion gene];SFMBT1,SCM-样与四个MBT结构区蛋白1;SIRT1,sirtuin 1;SMARCA2,染色质亚家族A成员2SWI/SNF-相关基质-关联的肌动蛋白-依赖调节物;SMYD1,SET和MYND结构区-含蛋白;SP100,核抗原SP100;SP110,核抗体蛋白SP110;SP140,核体蛋白SP140;SP140L,核体蛋白SP140 样蛋白;SUV39H1,彩斑[variegation]的遏制物3–9同源物1;SUV420H1,彩斑的遏制物4–20同源物1;TAF1,TBP-关联因子1;TAF1L,TAF1 样蛋白;UTY,无处不在转录Y染色体tetratricopeptide重复蛋白;WHSC1,Wolf–Hirschhorn综合征备选物1蛋白;WHSC1L1,WHSC1 样蛋白;ZMYND8,锌指MYND结构区-含蛋白8。

组蛋白赖氨酸乙酰化作用的各位点中,组蛋白4的赖氨酸(H4K16,H为组蛋白, K为赖氨酸)在染色质折叠的调节中和从异质染色质转换为常染色质似乎至关重要[13]。除了组蛋白尾的乙酰化作用,组蛋白蛋白质球状核心内有几种赖氨酸底物(例如H3K56),提示乙酰化作用也可直接影响相互作用间组蛋白和DNA[14]。有证据组蛋白乙酰化作用,尤其是H4K5和H4K12,在组蛋白组装和沉积到DNA时对分子伴侣的识别很重要。 
组蛋白乙酰化作用还促进转录通过提供对涉及基因激活蛋白质结合位点。特别是,含溴结构区[bromodomain]-家族蛋白质识别即,‘读’)组蛋白蛋白质内修饰的赖氨酸残基。溴结构区是一个常见特点在一个不同组蛋白质通过转录共激活的重要性联合,和确定和结合至组蛋白蛋白质内乙酰化赖氨酸残基溴结构区的能力对其活性关键[15,16]。 
组蛋白甲基化作用 
在过去十年已逐渐澄清和组蛋白甲基化作用伴随机制的重要意义。在组蛋白上赖氨酸残基可能被单甲基化,双甲基化或三甲基化。精氨酸残基也受到单甲基化作用和双甲基化作用。精氨酸残基的双基化作用可能发生在对称方式(通过两个端胍氮[terminal guanidino nitrogens]的单甲基化作用)或以不对称方式(通过末端胍氮之一的双甲基化作用)。如同乙酰化作用,甲基化作用是动力学。通过S 腺苷甲硫氨酸(SAM)-依赖甲基转移酶写入甲基标志和通过或交叉形家族的2 酮戊二酸-依赖去甲基化酶17或黄素-依赖酶赖氨酸-特异性组蛋白去甲基酶1抹去(LSD1;也称为KDM1A)和LSD2 (也称为KDM1B)[18]。 
因为甲基化作用不改变赖氨酸或精氨酸残基的电荷状态,它似乎不直接影响染色质结构。反而,各种甲基标志作用如对其他蛋白质结合位点挤压核小体一起[19,20]或携带另外调节蛋白质至被甲基化作用标志染色质位点[21,22]。标志的每个类型组成特异性信号被高度涉及甲基-赖氨酸-结合结构区识别甲基化作用的水平识别和,在许多情况中,周围氨基酸序列(表1)。从而,组蛋白3的三甲基化Lys4(H3K4me3),H3K9me3和H4K20me2各与阅读器结构区不同组相互作用。 
组蛋白赖氨酸甲基化作用可能与或转录激活或压制关联。例如,H3K4me3是一个标志性转录活性基因,而H3K9me3和H3K27me3(参考23,24)与沉默基因关联。虽然蛋白质精氨酸甲基化作用是丰富的和长时间已被知道,组蛋白精氨酸甲基化作用只在最近变成认为是一种重要的转录调节机制[25]。组蛋白的精氨酸甲基化作用可能促进或拮抗核因子与其他邻近组蛋白标志相互作用,因此增加组蛋白编码的复杂性[26,27]。
疾病关联 
表观遗传学标志的阅读器,写入器和抹去器可促进或驱动疾病通过两个主要机制。第一个,畸变活性由于突变或表观遗传学因子的改变表达可改变随后细胞基因表达模式导致或甚至驱动和保持疾病状态。第二,因为阅读器,写入器和抹去器是一般因子与许多其他细胞蛋白质协同工作[work in concert with],尤其是组织-特异性和环境响应DNA-结合转录因子,它们可能介导被上游信号改变的基因表达模式[10]。重要的是,后者提供机会靶向疾病通路主要驱动者(例如,某些转录因子或外部刺激)可能不能成药。
癌症. 表观遗传学机制已长期被知道涉及癌症,开始语观察到在大多数癌症中DNA甲基化作用发水平急剧改变。虽然癌症根本上是一种遗传疾病被不可逆地基因组突变驱动随后激活原癌基因或肿瘤抑癌基因失活,在癌症中有越来越多证据许多表观遗传学调节蛋白质失调,和癌症表观基因组内组蛋白标志是全局和局部地改变[28]。 
这方面知识刺激DNA甲基转移酶和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)的抑制剂的发展在几种癌症中在临床上有效,证明表观遗传学治疗在肿瘤学的价值[28]。但是,这些药物在其靶蛋白质家族内是非选择性和有大量副作用。虽然还有待在临床中证实,靶向特异性组蛋白去乙酰化酶(HDAC)药物有更大选择性在某些癌症中可能有益。例如,用一种HDAC8的选择性抑制剂模拟HDAC8的基因敲除神经母细胞瘤细胞株的治疗以及抑制细胞增殖和触发分化[29,30],第二代HDAC抑制剂 — 它们的几种更选择性 — 当前正在对多种类型癌症临床试验(表2)。

通过几种机制,包括直接失活或激活突变,基因扩增,间接下调或酶失活,和易位导致某些阅读器结构区融合蛋白质得到功能的表达[31]可能发生表观遗传学调节蛋白质和其信号网络的放松管制。众所周知实例包括在几种类型白血病中和在各种实体肿瘤中关键发育组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶EZH2过表达[32]。 
蛋白甲基转移酶MLL基因编码也受到许多染色体易位导致嵌合融合蛋白质的表达和其他表观遗传学因子不适当补充例如甲基转移酶DOT1 样蛋白(DOT1L)[33]。最近显示DOT1L的抑制选择性地杀伤细胞和肿瘤异种移植含MLL易位[34]。EZH2可能通过主要突变的过表达被异常地上调增加其三甲基化作用活性,提供靶向突变蛋白选择性治疗的可能性[35]。在中线瘤模型中显示潜在表观遗传学靶向治疗一个最近实例。在此癌症中,癌发生被染色体易位驱动,which 导致含蛋白质4-溴结构区(BRD4)或BRD3融合蛋白和一种驱动癌发生的睾丸-特异性转录因子(NUT)的表达。一种溴结构区的BET家族选择性拮抗剂(其中包括BRD2,BRD3,BRD4和溴结构区睾丸-特异性蛋白(BRDT))导致BRD4–NUT-阳性中线癌异种移植的选择性杀死[36]。 
表观遗传学机制的调制还提供为克服驱动癌症遗传变化潜能 — 尤其是可能不能成药的癌蛋白。例如,例外的核激素受体,认识到利用小分子它极挑战抑制大多数序列-特异性转录因子[37]。这包括转录因子MYC,病理性激活是在癌症基因组中观察到最常见遗传事件[38]。虽然 MYC是首先知道和最常见癌蛋白之一[39],经历30岁研究鉴定化合物可直接地抑制MYC蛋白的活性已失败。但是,最近几篇激动人心报告表明在几种血液学恶性病通过药理学抑制其调节伙伴之一,BRD4,MYC可能被有效抑制。BRD4结合乙酰化的组蛋白通过其溴结构区和介导染色质-依赖信号和在MYC靶位点处转录[40]。BRD4和乙酰化的组蛋白间相互作用的抑制导致减低MYC靶基因的水平和抑制MYC基因本身的转录[41,42]。 
相似地,溴结构区-含核辅助因子ATPase含蛋白2-AAA结构区(ATAD2)的过表达对三-阴性/基底-样乳癌细胞的增殖和活存至关重要和控制原癌基因MYB43的表达。ATAD2的溴结构区在肿瘤发生中有关键作用[44]。这些结果强调通过抑制催化或可成药的表观遗传学辅助因子染色质-相互作用活性驱动致癌转录因子的表达对靶向‘不能成药的’致癌转录因子潜能。 
有许多在基因编码对(和活性)组蛋白标志阅读器,写入器和抹去器其他癌症-连接改变。这些许多改变发生关键发育基因和来自与癌症关联给定组织类型干细胞-样早期祖细胞,例如许多血液学恶性病[45–48]和髓母细胞瘤[49,50]。从而,这些自我更新细胞可能被锁在某种表观遗传学状态防止进行分化。抑制突变的表观遗传学蛋白质或抑制其他致癌信号因子的转录编程 of可能是这些癌症类型中克服阻断分化诱人的战略。相似地,观察到在迅速增殖癌症细胞氧-无关糖酵解代谢(被称为Warburg效应)可能协调和维持被表观遗传学信号网络[51]。 
基因组不稳定性也是癌症某种标志,和表观遗传学蛋白质的失活对DNA损伤核查点贡献(例如HAT 60 kDa Tat-互动蛋白(TIP60;也称为KAT5)[52]或肿瘤蛋白p53结合蛋白1(TP53BP1;一种含蛋白-Tudor结构区)[53]似乎有助于癌发生。虽然TIP60和TP53BP1作用如同肿瘤抑制蛋白和可能不是治疗靶点,这些蛋白质的作用强调表观遗传学蛋白质在癌变中广泛作用,既有正性(驱动肿瘤生长)又有负性(遏制肿瘤生长)。这种二分法[dichotomy]也提出对表观遗传学治疗潜能重要安全性相关问题(见下文)。
神经精神障碍 几项研究曾显示在临床神经疾病状态表观遗传学蛋白质的水平改变,尤其是在智障综合征中。HDAC4单倍剂量不足引起短指智力低下综合征[brachy?dactyly mental retardation syndrome],发育延迟和行为问题[54]。此外,HAT CREB结合蛋白(CREBBP)单倍剂量不足引起大拇指症候群[Rubinstein–Taybi syndrome],一种遗传障碍导致认知功能失调。在这种疾病的小鼠模型中 — 新生Crebbp+/–小鼠 — 小鼠表现出行为障碍,和通过组蛋白去乙酰化作用的抑制可逆转这个表型[55]。CREBBP可能也是关键靶点对presenilins(是相关多通穿越膜蛋白功能家族为γ-分泌膜内蛋白酶复合体的一部分)在调节记忆形成和神经元活存[56]。此外,在表观遗传学蛋白质突变可导致神经精神障碍:例如,在基因编码常染色质组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶1突变(EHMT1;也称为G9A 样蛋白1(GLP1))导致一个复合物智障综合征[intellectual disability syndrome]在成年大鼠脑中镜像[is mirrored]此基因缺失[57–59]。 
X-链接智力低下(XLMR)是一种遗传疾病大多数影响男性,和X染色体遗传异常所致,包括许多转录共活化剂蛋白质[60]。例如,XLMR蛋白PHF8(PHD指蛋白8)催化H3K9me2和H3K9me1的去甲基化作用(参考61)。PHF8的PHD结合至H3K4me3,和与H3K4me3共定位在转录起始位点。此外,PHF8与另一个 XLMR蛋白,锌指蛋白711(ZNF711)相互作用,结合至PHF8 调节蛋白质的一个亚组包括组蛋白去甲基酶赖氨酸-特异性去甲基酶5C(KDM5C;也称为JARID1C)。这些结果功能性地连接XLMR-连接基因PHF8至两个其他XLMR-连接基因,ZNF711和JARID1C,表明连接至智力障碍基因可能与发生智力障碍患者中观察到复合物表型遗传上关联[61]。 
Sirtuin 1(SIRT1)在大鼠和人类中是在脑区无处不在地表达尤其是对年龄-相关神经退行性状态易感。因此,内源性sirtuin通路的激活可能提供一种治疗方法延缓和/或治疗人类年龄相关疾病[62]。在有肌萎缩性侧索硬化症患者的脑和脊髓中观察到HDAC11 mRNA的水平减低和HDAC2 mRNA的水平增加[63]。这些发现的功能性和治疗性含义将实现得到HDAC2更选择性的抑制剂。尽管缺乏这类工具,用当前可得到的研究,部分地选择性组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂例如伏立诺他[vorinostat](Zolinza;Merck)[64]和MS 275(参考[65])揭示在中枢神经系统病理中这些 HDACs的作用更深入的见解。 
精神分裂症是另一种疾病其中表观遗传学蛋白质水平改变。基因编码SMARCA2(染色质亚家族A成员2的SWI/SNF-相关基质-关联的肌动蛋白[actin]-依赖调节物)表达BRM,是SWI/ SNF染色质-重建复合物的蛋白组分;在全基因组关联研究[genome-wide asso?ciation studies]这个复合物与精神分裂症关联。在SMARCA2的多态性连接至疾病基因表达和/或编码氨基酸序列产生变化66. 此外, BRD1中一种多态性曾显示与精神分裂症和双相情感障碍有关联[67]。 
炎症 适应性免疫应答显示一个系统的标志特点是受表观遗传学调节。适应性免疫系统由多能前体细胞组成进行分化和克隆扩增受暴露至一个适当刺激(例如,一个抗原)变成被激活的淋巴细胞,然后保留对未来暴露的记忆。所以不令人吃惊地在几种啮齿类炎症条件模型非-选择性HDAC抑制剂已证实临床前疗效,既在啮齿类疾病模型[68]也在取自自身免疫疾病患者的临床样品[69]。这些研究已揭示几种特异性HDACs与免疫应答各个方面有牵连,包括先天和适应性系统[70]。例如,HDAC6和HDAC9增强转录因子叉头框[forkhead box]P3促进抗炎调节T淋巴细胞活性[71],而最近HDAC6与抗原提呈树突状细胞的分化和成熟有牵连[72]。 
此外,曾显示几种sirtuins通过调节关键转录因子活性调节免疫应答。例如,SIRT1和SIRT6分别通过NF-κB p65亚单位的转录后修饰和通过改变对p65促进剂的易接近性[accessibility][73] 调控核因子-κB(NF-κB)活性。从而,SIRT1激活剂在体外和体内炎症模型有抗炎作用[74]。
几种组蛋白乙酰转移酶(HATs),既通过组蛋白乙酰化作用也通过转录因子例如NF-κB75二者也调节炎症反应。这些发现明确地表明在免疫应答的调节中对乙酰化作用的重要作用;最近发现进一步支持表明溴结构区-含蛋白质的BET家族在对内毒素的全身全面炎症反应中是至关重要的[76]。 
此外,有增长证据对组蛋白赖氨酸甲基化作用在调节免疫过程作用。尤其是,内毒素休克期间通过H3K9二甲基化作用介导中蛋白甲基转移酶G9A(也称为EHMT2)在特异性基因的沉默中的重要性[77]。黄素-依赖胺氧化酶LSD2介导NF-κB去甲基化作用和,这样做,在树突状细胞中一个调节循环控制促炎症基因的表达有牵连[78]。此外,组蛋白去甲基酶交叉形结构区-含蛋白3(JMJD3;也称为KDM6B)在巨噬细胞对脂多糖和在激活和维持所谓‘另外被激活的’巨噬细胞有牵连,被认为涉及宿主对寄生虫反应,组织重建和血管生成[79,80]。
总结,越来越多的分子学和药理学证据表观遗传学机制涉及免疫系统的调节通过涉及转录因子的调制和组蛋白的修饰机制。此外,有临床证据提示这些机制在自身免疫疾病中可能下调[81,82];因此靶向表观遗传学调节物代表对这些情况的改善强有力新方法。
代谢性障碍 Sirtuins,去乙酰组蛋白和非-组蛋白二者底物,是代谢的主要调节物[83]。在两个荷兰独立人群中SIRT1中两个常见变异体伴较低体重指数。曾报道这些变异体携带者13–18% 肥胖风险减低[84]。在人类85和小鼠86的2型糖尿病曾伴随SIRT1水平减低或活性减低。从而, 1个或更多sirtuins的激活可能有有利生理学效应。白藜芦醇[Resveratrol],通过SIRT1的间接激活,在胰岛素瘤INS 1E 细胞和人胰岛中刺激胰岛素释放[87]。在一项分开研究中,长期侧脑室内输注白藜芦醇至饮食-诱发肥胖糖尿病小鼠正常化高血糖和改善高胰岛素血症[88]。还报道这些效应是通过通过SIRT1介导,因为用蛋白利用短发针RNA的knockdown证实[89]。 
在短暂高血糖模型中组蛋白甲基化作用对高血糖记忆有影响[90]。甲基转移酶SET结构区-含 蛋白7(SETD7)和彩斑[variegation]3–9同源物1(SUV39H1)遏制剂,以及去甲基酶LSD1,NF-κB对葡萄糖反应的基因编码p65亚单位持续上调有影响。SETD7的Knockdown逆转效应是伴随糖尿病血管损伤,提示蛋白赖氨酸甲基转移酶(PKMT)是糖尿病治疗的潜在靶点[91]。
再生医学:在胚胎干细胞分化和重新编程作用. 在再生医学中,曾显示表观遗传学蛋白质的调制用途,尤其是指引胚胎干细胞向定向系的分化,和通过重新编程体细胞诱发多能性干细胞的形成[92]。在再生医学中伴随HDAC蛋白质重要机会是糖尿病和神经退行性疾病例如帕金森氏症病和阿尔茨海默氏病的治疗。用假定的HDAC抑制剂治疗被治疗干细胞显示系进展向胰岛素-生成β 细胞有确定性内胚层世代,以及胰岛素祖细胞的高效生产表达的关键转录因子(例如,胰岛素和十二指肠同源合[homeobox]1(PDX1))为胰岛素发育和β 细胞成熟必需[93]。此外,类别I HDAC抑制剂丙戊酸促进神经元多能性成年大鼠神经祖细胞在体外分化[94]和大鼠脑在体内神经再生[95]。
供应丰富干细胞世代由此系清单可能协调将实质上进展再生细胞治疗。Yamanaka[96]第一个显示在小鼠体细胞对四个遗传转录因子倾向(八聚体结合蛋白3(OCT3;也称为OCT4),SOX2,MYC和Krüppel-样因子4(KLF4))诱导多能性,和相当大最近努力已集中在发现对这些转录因子小分子替代物使总体过程更有效率和避免最终癌发生。
当用两个或更多这些特异性遗传因子结合,HDACs的小分子抑制剂,PKMTs或赖氨酸去甲基化酶改进重新编程效率至一个水平与转导全部四个因子相当。这显示表观遗传学调节在细胞重新编程中关键作用。例如,丙戊酸[valproic acid]使原代人纤维母细胞重新编程有两个因子,OCT4和SOX2,无需原癌基因MYC或KLF4。在这些条件下创建诱发多能干细胞在多功能,全局基因表达图形和表观遗传学状态相似人类胚胎干细胞[97]。相似地,G9A抑制剂BIX 01294改善重新编程效率在神经祖细胞转导只用OCT3/OCT4和KLF4(参考98)。这些研究提示只用小分子诱导多功能干细胞的世代 可能很快成为可行的。
成药表观基因组
乙酰和甲基阅读器,写入器和抹去器的主要类别各自对小分子抑制有实验的证据(图3,5),虽然当前在临床只有HDAC抑制剂(表2)。过去十年曾见到这些类型蛋白质的生化,底物选择性和三-维结构相关的知识大量增加,揭示共同结构和去其活性位点机制特点。这个知识已使最新对组蛋白乙酰转移酶(HATs)新抑制剂,组蛋白甲基转移酶,赖氨酸甲基转移酶,溴结构区s和恶性脑肿瘤结构区(MBT结构区s)报道,将在下面讨论。 
HDACs
HDACs被分为五个系统进化类别99(图2):类别I包括HDAC1,HDAC2,HDAC3和HDAC8;类别IIa包括HDAC4,HDAC5,HDAC7和HDAC9;类别IIb包括HDAC6和HDAC10;类别III包括sirtuins(或Sir2蛋白质) SIRT1–SIRT7;和类别IV含HDAC11。来自I,II和IV类酶催化需要一个双价金属离子[100]。Sirtuins是依赖NAD+-酶与蛋白去乙酰化酶和ADP-核糖核酸酶活性,和其他类别在结构上和生化上无关[101,102]。
反映乙酰标记在细胞内独特分布[103],HDACs去乙酰组蛋白和非-组蛋白两种底物。例如,HDAC6不涉及表观遗传学信号但它去乙酰化微管[microtubules]和热休克蛋白90(参考 104,105)。几种金属-依赖HDAC抑制剂是在临床试验(图3);大多数这些靶向血液学恶性病,和两个药物,伏立诺他和罗米地辛(Istodax;Celgene),分别在2006和2009年被首先批准治疗皮肤T细胞淋巴瘤[106,107]。增加组蛋白和非-组蛋白底物两者乙酰化作用介导通过这些药物和相关药物是连接至肿瘤细胞生长的停止,凋亡和抗-血管生成[108,109]。 
所有HDAC抑制剂占领典范[canonical]HDACs的乙酰-赖氨酸通道(图4)。相互作用在表面-可接近的轮圈[rim]和在一个‘足袋’紧邻催化位点介导选择性[110]。和锌离子在金属依赖催化位点的螯合驱动效力和选择性[111]。HDAC抑制剂的几种类型 — 例如异羟肟酸[hydroxamates],环肽,苯甲酰胺类[benzamides]和脂肪酸 — 差异地满足这些药效规则。伏立诺他的异羟肟酸基和罗米地辛[romidepsin]的巯基螯合催化锌离子不同的HDACs间有小一点特异性,但曾报道伏立诺他优先抑制HDAC1,HDAC2,HDAC3和HDA6,而罗米地辛优先靶向HDAC1,HDAC2,HDAC3和HDAC8 (参考111)。

图3 | 成药的乙酰标志-介导的信号. 化合物C646抑制组蛋白乙酰基转移酶EP300(E1A-关联蛋白p300)和有一个IC50(半数-最大抑制浓度)值1,600 nM[133]。最近证明溴结构区拮抗剂在体内有效:JQ1和IBET,含蛋白2溴结构区- (BRD2)的两个强拮抗剂,BRD3和BRD4分别在癌症和炎症临床前开发[36,76]。化合物6a是处在较低进展发展阶段但提供一个新化学骨架[174]。几个组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂已达到临床。伏立诺他(HDAC1,HDAC2,HDAC3和HDAC6的一种抑制剂)和罗米地辛(HDAC1,HDAC2,HDAC3和HDAC8的一种抑制剂)两者均被批准肿瘤学适应证[111];在临床为肿瘤学适应证其他化合物包括:panobinostat (在III期开发,和靶向HDAC1,HDAC2,HDAC3和HDAC6)[111];entinostat(在II期开发,和靶向HDAC1和HDAC2)[111];和mocetinostat(在II期开发,和靶向HDAC1和HDAC2)[111]。 Sirtuin 1抑制剂 EX 527是在对亨廷顿氏病II期临床试验[127]。化合物6J抑制sirtuin 2有一个IC50为1μm[175]。
去乙酰化酶结构区的类别I,II和IV酶是高度保守的但在类别IIa酶中缺乏一个催化残基,导致缩小去乙酰化酶活性和提出一个未发现的底物 [112]或变构刺激活性的可能性[113]。 另外,类别IIa酶可能作用如同骨架蛋白质多蛋白复合物内催化活性HDACs帮助补充。最近对涉及葡萄糖稳态[glucose homeostasis]非-组蛋白底物HDAC4/HDAC5 介导去乙酰化作用证实这个机制[114]。另外,类别IIa HDACs结合乙酰化的多肽有一个亲和力与其他金属-依赖HDACs有可比性,和可能 — 像溴结构区 — 作用如同乙酰标志阅读器[111]。使用一个改进的,非-天然三氟乙酰化的类别IIa底物揭示大多数HDAC抑制剂在药理学相关浓度对类别IIaHDACs是无活性但HDAC1,HDAC2和HDAC3被大多数受试化合物抑制[111]。 
重要的是,HDACs是在细胞中较大复合物的组分,和多个蛋白复合物的上下文中观察到对纯化的蛋白质抑制剂或底物的选择性可能改变[115],选择性HDAC抑制剂的设计增加了进一层复杂性。细胞和细胞-类型特异性HDAC复合物和其底物的更详细了解需要更好设计选择性抑制。这个问题对其他表观遗传学蛋白质家族抑制剂的开发也很重要。尚未确证是否增加选择性(通过探查在囊袋轮圈和足处结构多样性达到)可转化为更佳靶向治疗或改进治疗窗,但这是当前在实验室研究和在临床使用下一代化合物[108] (图3)。
曾报道对SIRT1,SIRT2,SIRT3和SIRT6的Sirtuins,去乙酰化酶活性(文献116–119)。其他sirtuins 可水解不同标志例如琥珀酰[succinyl],丙二酰[malonyl]或丙酰[propionyl]标志[120,121],或它们可独有地[exclusively]作用为ADP-核糖核酸酶。SIRT1可以从细胞核向细胞质穿梭和去乙酰阵列底物,包括组蛋白和肿瘤抑制基因p53(参考122)。SIRT1曾伴有寿命和记忆延长,和曾显示神经退行性变性,代谢性综合征和癌症有益影响,从而在药物发现界引起相当大兴趣[123]。 一篇报告报告第一个SIRT1激活剂,包括天然产物白藜芦醇和各种合成分子[124],曾是广泛矛盾的中心。现在越来越多证据提示观察到SIRT1激活是一种生化人为现象[artefact],和细胞活性是非相关靶点介导的[125,126]。对强和选择性SIRT1激活剂需求仍未得到满足。最先进化合物是SIRT1抑制剂selisistat(也称为EX 527或SEN196),已达到II期临床试验对亨廷顿氏Huntington’s 疾病[127](见Siena Biotech website网址)。
组蛋白乙酰转移酶(HATs). 尽管有非常低序列同源性,迄今解决的所有组蛋白乙酰转移酶(HATs)的催化结构区组织围着一个保守的中心皱摺其辅助因子乙酰-CoA结合和催化发生。唯一解决的人类HAT结合至一个多肽底物的晶体结构揭示一个浅多肽-结合位点其中只有乙酰化赖氨酸被插入在一个溶剂-可接近的沟槽,提示这个位点可能难以用药物靶向。几种组蛋白乙酰转移酶(HATs)与乙酰-CoA曾被共结晶:在所有组蛋白乙酰转移酶(HATs)除了对E1A-关联的蛋白p300 (EP300),这个辅助因子在一个开放但结构不同袋内,不知道这个辅助因子袋是否可成药。与此相反,EP300含一个独特环折入辅助因子,成为埋在一个封闭和或许化学上易处理袋[128]。
已经确定和评述数组HAT抑制剂[129,130]。但是,这些化合物的大多数是或混杂的天然物质结合多种蛋白质类型[129]或它们共价地修饰异噻唑啉酮[131]。一个非常巨大双-底物抑制剂,Lys-CoA,被显示是一个亚微摩尔EP300抑制剂有惊人选择性但没有药样性质[132]。另一个最近期描述EP300抑制剂,C646,可能是迄今发表的唯一强,选择性和药-样HAT抑制剂[133](图3)。化合物结合在预测的可成药的EP300袋和作用如同辅助因子竞争剂。此外,C646 可模拟半胱天冬酶[caspase]-依赖促凋亡[pro-apoptotic]效应短干扰RNA-介导的EP300 knockdown,涉及外源和内源细胞死亡途径,在雄激素-依赖和去势-抵抗前列腺癌细胞[134]。 
仍不知道其他组蛋白乙酰转移酶(HATs)的化学可追踪性,但迄今可得到结构缺乏明显可成药的位点和缺乏可信抑制剂报道提示对分离酶进行筛选化学品库不是适当方法。在细胞中组蛋白乙酰转移酶(HATs)功能为巨大多蛋白复合物一部分,和对抑制剂的发现可能需要这些复合物的形成。这将需要对重组复合物生化筛选,或在细胞中筛选表型。
蛋白质甲基转移酶. 蛋白质甲基转移酶的结构,由两个不同但邻近结合位点组成,提供两个位置小分子可结合和抑制酶功能。的确,肽底物通道和结合位点对辅助因子S-腺苷甲硫氨酸(SAM)曾探查产生蛋白质甲基转移酶的强抑制剂[135,136]。当前,组蛋白赖氨酸甲基转移酶(HKMTs)的选择性和细胞-活性抑制剂的成功鉴定曾被限制于那些靶向紧密相关酶G9A和GLP1,以及DOT1L。 

图4:代表性抑制剂的结构机制. a |伏立诺他被显示与乙酰标志抹去器组蛋白去乙酰化酶8(HDAC8)复合(Protein Data Bank (PDB) ID编码:1T69。 b | UNC638被显示与甲基标志写入器赖氨酸甲基转移酶G9A复合(PDB ID编码:3RJW)。c | 2,4 吡啶二羧酸二乙酯被显示与甲基标志抹去器交叉形[交叉形]结构区-含蛋白2A复合(JMJD2A)(PDB ID编码:2VD7)。d | JQ1 被显示与乙酰赖氨酸阅读器含蛋白2-溴结构区复合(BRD2) (PDB ID编码:3ONI)。e | UNC669 被显示与甲基标志阅读器致死性3恶性脑肿瘤-样蛋白1复合(L3MBTL1)。(PDB ID编码:3UWN)。大多数化合物与底物赖氨酸竞争(以品红显示),而2,4 吡啶二羧酸二乙酯与JMJD2A的辅助因子竞争(以橙色显示)[34]。相似地,甲基转移酶抑制剂EPZ 0477与辅助因子S 腺苷甲硫氨酸竞争(未显示)。结合位点用灰色阴影表示,氮原子是暗蓝色和氧原子红色。一个催化锌或镍离子(显示如黄球)分别是与HDAC8或JMJD2A共结晶。
BIX 01294是赖氨酸甲基转移酶(PKMT)的第一个选择性抑制剂。BIX 01294结合在蛋白底物通道G9A和GLP1,但其不大亲和力和细胞毒性限制它用于基于细胞试验[137]。第二代抑制剂例如E72 (参考138)和UNC321(参考139),两者掺入一个7 烷氧基胺[alkoxyamine]拴住喹唑啉[喹唑啉]核心作为关键结构修饰,显示显著改善酶亲和力。UNC638(参考140)是G9A和GLP1的强和选择性抑制剂,和为改进疗效和低毒性被进一步优化。UNC638还保留7 烷氧基胺基,表明掺入这个基团可能代表为设计靶向这个HKMT家族可行的战略。
基于结构研究— 有洞察力帮助设计新颖化合物 — 曾显示UNC638的保守喹唑啉核心(参考140) 占领多肽沟槽(如既往BIX 01294所见)[141]和新烷氧基胺以相似方式取代结合赖氨酸通道内侧至组蛋白底物的赖氨酸[140](图4)。结合至肽-结合沟槽HKMTs的其他小分子抑制剂包括AZ505,是一种强和SET和MYND结构区-含蛋白2(SMYD2)的选择性抑制剂[142]。致癌蛋白SMYD2遏制p53的功能活性和视网膜母细胞瘤蛋白,使它成为发展小分子抑制剂诱人药物靶点。
结合至S-腺苷甲硫氨酸(SAM)结合位点的化合物包括DOT1L抑制剂EPZ004777,对混合系白血病融合有活性致DOT1L异常定位[34]。虽然EPZ004777被设计作为一个SAM同系物(保留核心核苷),显示明显选择性(>1,000 倍)对DOT1L的抑制超过其他组蛋白甲基转移酶。结合至SAM结合位点其他化合物包括:真菌代谢物毛壳素[chaetocin],是SUV39H1和G9A143的抑制剂;和西尼霉素或西奈芬净[sinefungin],是混杂的天然产物和SAM的一个同系物[144]。从而,与激酶抑制剂同系物结合在ATP位点,它似乎靶向蛋白质甲基转移酶的辅助因子结合位点对这个靶点类别可能是一般策略。结构多样性的计算机分析支持观察到跨越所有人类S 腺苷甲硫氨酸(SAM)结合位点,表明选择性应是可实现的[145]。组蛋白精氨酸甲基转移酶的强抑制剂例如蛋白精氨酸甲基转移酶1 (PRMT1)和PRMT4也已被鉴定[146–148],提供进一步证据蛋白质甲基转移酶可被小分子抑制。
赖氨酸去甲基化酶[LSD]. 第一代基于机制-抑制剂黄素-依赖赖氨酸-特异性去甲基化酶LSD1和LSD2,例如反苯环丙胺[tranylcypromine],对其历史性靶点 — 单胺氧化酶缺乏效力和选择性[149,150]。随后结构-活性相互关系显示化学结构进一步延伸入赖氨酸底物囊袋导致更强和选择性抑制剂[151–153](例如,化合物10;图5)[154]。去甲基化酶的LSD类别是结构上和机制上不同于交叉形结构区-含组蛋白去甲基化酶和似乎主要靶向H3K4。从而,LSDs可能提供更容易可能性开发选择性H3K4去甲基酶拮抗剂比选择性靶向亚组交叉形结构区-含H3K4去甲基化酶。
所有当前交叉形结构区-含赖氨酸去甲基酶抑制剂与辅助因子2 酮戊二酸竞争和结合至在活性部位的催化铁。高度极性化合物2,4 - 吡啶二羧酸二乙酯[2,4 pyridine-dicarboxylate]抑制交叉形结构区-含去甲基化酶以及其他2 酮戊二酸-依赖加氧酶例如HIF脯氨酰羟化酶1(HPH1;也称为EGLN2)和HPH2 (也称为EGLN1)[155]。如同用LSD1抑制剂观察到,延伸化学结构交叉形结构区-含去甲基酶抑制剂模板所以化合物在底物结合袋中结合直接地至铁增加效力,如用金属螯合异羟肟酸[hydroxamic acid[所见[156]。这些化合物对交叉形结构区-含去甲基化酶是选择性超过其他2 酮戊二酸-依赖加氧酶,但化合物的分子和物化性质可能限于生物利用度[156]。 
两个新系列交叉形结构区-含去甲基酶抑制剂,8-羟基喹啉[8 hydroxyquinolines](例如,SID 85736331)和2,2′-联吡啶[2,2′-bipyridines](例如,化合物15c)(图5),是有亚型选择性和更药-样性质强抑制剂[157,158]。这些新先导化合物有较小和更紧凑型的化学结构,和代表为进一步优化良好先导化合物。通过接近金属中心在活性位点有利抑制剂–蛋白相互作用得到化合物其效力和选择性。从而,现在已鉴定组蛋白去甲基化酶的强和选择性抑制剂,下一个挑战将是鉴定有改进细胞渗透性化合物,将更适于在整细胞试验研究活性。
溴结构区-含蛋白质.溴结构区-含蛋白质家族代表一种重要类别的识别乙酰化赖氨酸残基的组蛋白修饰阅读器蛋白质。在1992年从人类,果蝇和酵母在几种转录上重要基因首次描述溴结构区为一个~110氨基酸结构区是保守的[16]。人类基因组编码42个含蛋白质-溴结构区,各含1和6个间溴结构区,总共包括61个独特人类溴结构区[15]。有趣的是,溴结构区是常发现在蛋白质中还含酶结构区(例如,组蛋白乙酰转移酶(HATs))或其他阅读器结构区(例如,PHDs)[159]在构象对特异性组合识别多个组蛋白标志有贡献[160]。迄今,已实验确定23/61个人类溴结构区,证实一个保守的疏水性囊袋适应1个(和有时2个)乙酰-赖氨酸侧链[15,161]。 
溴结构区采用一个左手,四个-螺旋束包括两性螺旋被称为αZ,αA,αB和αC。在螺旋束的一端,氨基-和羰基终端会合,强调这个结构区的模块构建和了解溴结构区可能作为一个独立的功能单元与其他蛋白质相互作用的概念。根据这些发现,Zhou及其同事[162]进行一个基于核磁共振 (NMR)化学筛选鉴定有亲和力与Tat肽乙酰化的在Lys50(IC50(半数最大抑制浓度)~5 μM)结合至HAT P300/CBP-关联因子的溴结构区的化合物。先导化合物不结合至CREBBP和TIF1β(转录中介因子1β)结构上相关溴结构区,表明有可能鉴定小分子抑制剂有特异性在溴结构区家族内[162]。 
这个观察的基础上,Zhou等[163]描述合理设计溴结构区-含转录共活化剂CREBBP的环肽调制器[cyclic peptide modulators]。环肽的亲和力对CREBBP溴结构区是显著高于溴结构区对它生物学配体的亲和力,包括赖氨酸-乙酰化的组蛋白和肿瘤遏制蛋白p53。最佳环肽表现出一个Kd(解离常数) 8.0 μM,代表一个24 倍改善亲和力超过线性Lys382 乙酰化的p53肽。与来自其他转录蛋白质溴结构区比较这个先导肽对 CREBBP的溴结构区是高度选择性[163]。 
最近,两个独立组报道对串联溴结构区-含家族的转录调节物被称为BET蛋白质(BRD2,BRD3,BRD4和BRDT)有低纳摩尔亲和力的第一个选择性抑制剂[36,76,164]。化合物JQ1和IBET代表新颖化学模板是不同于以前报道的简单含乙酰模板,和它们有明确作用方式。这些研究显示生产有高亲和力抑制剂是可行的(在纳摩尔范围),特异性和细胞通透性(图3)。这些抑制剂的发展已揭示抑制BET功能生理学作用和治疗潜能新见解。的确,在几种癌症和全身炎症情况已观察到这些抑制剂的有益作用[36,40,41,76]。
甲基-赖氨酸阅读器. 如同与溴结构区情况,抑制甲基-赖氨酸阅读器结构区及其靶点甲基-赖氨酸标志间相互作用能力似乎是可能的。所有甲基-赖氨酸阅读器结构区中一个共同主题是存在一个保守的‘芳香笼[aromatic cage]’包括对甲基-赖氨酸侧链结合裂缝和提供π电子相互作用与正性电荷甲基铵基团[160]。芳香笼的几何学以及存在和相反电荷或氢键接受体的构象决定优于结合的甲基化作用的程度。这些结构特点对药物发现有吸引力。 
甲基-赖氨酸结合袋的所有已知结构中,深窄裂缝结合单-和二-甲基-赖氨酸(例如在MBT结构区发现的),可能是为小分子的设计最诱人靶点。这类小分子拮抗剂的第一个实例,UNC669,最近利用结构指导方法被开发为MBT结构区-含蛋白质L3MBTL1(致死性3MBT-样蛋白1) [165]。有趣的是,UNC669用相同吡咯烷[pyrrolidine]部分作为蛋白甲基转移酶抑制剂UNC638(它是二甲基酶G9A的抑制剂)模拟二甲基-赖氨酸,提示在蛋白质中靶向二甲基-赖氨酸结合袋化合物吡咯烷可被用作通用 ‘弹头[warhead]’。目前,没有报道的三甲基-赖氨酸阅读器拮抗剂。因为与用那些MBT结构区比较有些三甲基-赖氨酸结合囊袋趋向更开放和浅,对靶向可能更挑战。
成药表观遗传学修饰器的安全性 
如同所有潜在药物靶点,将需要证实表观遗传学修饰器疾病治疗中有明确益处可以可接受安全性和耐受性图形被达到。当在评价表观遗传学蛋白靶点时尤其重要,由于在全局基因表达模式的调节中其作为普遍因子的基本作用。
表观遗传学药物的第一个波 — HDAC抑制剂 — 在皮肤T细胞淋巴瘤的治疗中曾有益处,有可被接受的不良事件图形;正在进行另外的临床研究确定其在治疗其他癌症的用途[166]。正在进行研究确定HDAC抑制剂对非-肿瘤学适应证潜在的治疗用途其中不良事件图形,要求可能会更严格[167]。对非-肿瘤学适应证,关键安全性问题包括药物对干细胞和生殖细胞的长期效应,尤其是潜在的跨代[transgenerational]效应[168]。例如,在性腺发育期间胚胎暴露于环境内分泌干扰物[169]或限制营养[170]和性决定可能诱发成年发病疾病状态能力可能跨越多个世代延续。
因为表观基因组的调制有对重新编程所有细胞潜能,对干细胞不良效应(或对受孕或胚胎发育前生殖细胞)可能只有经历长时间变成明显。需要发展研究战略和避免这类效应,和可能包括工具例如在适当细胞类型组蛋白和DNA标志的表观基因组图形。鉴定抑制剂对其表观遗传学蛋白真正亚型-或靶-选择性也将对一给定靶点疗效和安全性间平衡。

图5 | 成药甲基标志-介导的信号. 最近曾报道赖氨酸和精氨酸甲基转移酶强抑制剂。EPZ004777,第一个发表有体内疗效的蛋白甲基转移酶抑制剂,靶向DOT1 样蛋白有IC50 (半数最大抑制浓度)在皮摩尔范围,和在小鼠肿瘤异种移植模型有活性[34]。UNC638是一个10 nM赖氨酸甲基转移酶G9A抑制剂(也称为EHMT2)和G9A 样蛋白1(GLP1;也称为EHMT1) 在细胞140中减低组蛋白标志H3K9me2(组蛋白3的二甲基化Lys9)丰富度。AZ505抑制SET和MYND含蛋白2-结构区有一个IC50为120 nM[142],和化合物2抑制共激活剂-关联精氨酸甲基转移酶1有一个IC50为30 nM[146]。曾报道一个100 nM的赖氨酸-特异性组蛋白去甲基酶1的抑制剂(化合物10)[154]。 化合物15c has an IC50 of 110 nM against 赖氨酸-特异性去甲基酶4D 样蛋白(KDM4DL)157,和较小化合物 SID 85736331和2,4 吡啶二羧酸二乙酯(2,4 PDCA) exploit the metal centre of KDM4A和KDM4DL (IC50值范围从600 nM至2.4 μM)[158]。甲基标志阅读器的第一个化学拮抗剂是UNC669,which specifically targets 致死性3恶性脑肿瘤-样蛋白(L3MBTL)以IC50为5 μM[165]。
结论
对表观遗传学因子与疾病的关联有充分和增长的证据 — 尤其是在慢性条件例如癌症,炎症,糖尿病和神经精神障碍。在这些病理的类型,有支持对细胞学记忆联系中疾病状态的前体或环境相互作用导致疾病状态。例如,众所周知炎症和癌症间连接有强表观遗传学组分[171]。 在一个肺癌发生模型炎症-特异性基因表达模式通过一种表观遗传学机制介导,不是突变,被保存在癌症中从慢性发炎组织出现[172]。相似地情况例如在糖尿病中高血糖记忆,表观基因组状态保持和延续干细胞样肿瘤始发细胞和在癌症中Warburg效应是潜在地可逆性细胞学状态可能被表观遗传学治疗解锁[unlocked]。有能力重新编程正常体细胞至不同的细胞类型(通过小分子辅助),可以想象用小分子细胞的疾病状态能最终被选择性地再编程至或正常组织或一种凋亡状态。为了达到这个目标,有急需更好描述对表观遗传学治疗选择性地易受损害的特征将使靶点和疾病状态的鉴定的工具化合物。
在本综述中突出的蛋白质家族,一起含数百个靶点,代表药物发现中新前沿,对开发未来治疗药物具有巨大潜力。对大多数表观遗传学蛋白质家族,有实验证据 — 利用选择性小分子抑制剂 — 这些靶点是可能将成药的(图3–5)。因为这些蛋白的多结构区性质,和它们参与巨大蛋白质复合物,或许有几种可能性靶向一个单一基因或多功能复合物。例如,许多酶或复合物写入组蛋白标志对相同标志也有阅读器结构区。被认为有助于酶通过结合至第一个写入标志通过阅读器结构区沿染色质传播标志,因此允许在邻近核小体写入随后标志,和等等。 因此,靶向涉及在组蛋白结合中一个阅读器结构区可能导致细胞学效应是明显不同于通过改变酶或其复合物位置酶活性的抑制或破坏正反馈和传播标志。的确,最近对溴结构区拮抗剂成功抑制蛋白–蛋白相互作用实例激动人心活动的报道的扩展和指向在药物发现中激动人心的新前沿[36,40,41,76]
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致谢
We are grateful to P. Brennan for his contribution on demethylase inhibitors, and S. Knapp for his comments on the manuscript. The Structural Genomics Consortium is a registered charity (charity number 1097737) that receives funds from the Canadian Institutes of Health Research, Eli Lilly, Genome Canada (through the Ontario Genomics Institute), GlaxoSmithKline, the Ontario Ministry for Research and Innovation, the Novartis Research Foundation, Pfizer and the Wellcome Trust. 
Competing interests statement 
The authors declare competing financial interests: see Web version for details. 

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