Nat Commun丨孔祥谦、Stephen Baylin、刘劲松团队合作揭示DNA甲基化维持蛋白UHRF1的靶向干预新策略

BioArt BioArt 2025年01月13日 00:43

启动子区DNA异常高甲基化修饰导致的抑癌基因表达沉默，是驱动恶性肿瘤发生、发展和免疫逃逸的关键因素。在肿瘤细胞增殖过程中，DNA甲基化维持蛋白UHRF1招募DNA甲基转移酶DNMT1，确保肿瘤特异性DNA甲基化在新生肿瘤细胞中稳定遗传。因此，靶向UHRF1-DNMT1调控轴，逆转肿瘤特异性DNA高甲基化，是肿瘤治疗的重要策略。目前，已有多种核苷类DNMT1抑制剂被批准用于血液肿瘤的治疗，但在临床应用中，它们存在治疗窗口窄、代谢稳定性差以及对实体瘤治疗效果不佳的问题，故亟需发现具有新作用机制和抗实体瘤活性的新型DNA去甲基化药物。

2025年1月8日，中国科学院广州生物医药与健康研究院的孔祥谦课题组、刘劲松课题组与美国约翰霍普金斯大学Stephen Baylin课题组合作在Nature Communications杂志发表了题为Defining ortholog-specific UHRF1 inhibition by STELLA for cancer therapy的研究成果。该研究在孔祥谦和Stephen Baylin前期对UHRF1结构域-功能研究基础上（Cancer Cell, 2019），揭示了多能性调节蛋白STELLA对UHRF1功能抑制的物种特异性及分子机制，进而发展了基于mRNA的UHRF1抑制剂，可有效逆转DNA甲基化异常并发挥抗实体瘤活性。

研究团队发现，与小鼠STELLA蛋白（mSTELLA）对UHRF1的强抑制活性不同，人源STELLA蛋白（hSTELLA）几乎无法阻断UHRF1与染色体结合，和诱导UHRF1的细胞核输出。因此，hSTELLA 的UHRF1抑制活性和DNA去甲基化功能明显弱于mSTELLA。研究人员进一步揭示，STELLA蛋白C端的低保守区域与UHRF1的不同结合模式，可能是介导物种间功能差异的关键因素。其中，mSTELLA通过“L”型构象与UHRF1 PHD结构域的酸性口袋，以及PHD和TTD结构域之间的凹槽紧密结合，从而阻断TTD-PHD结构域对组蛋白H3K9me3底物的识别。相反，hSTELLA主要以“long α-helix”构象与UHRF1结合。虽然hSTELLA占据了PHD结构域的酸性口袋，但其与TTD结构域表面的相互作用弱，故无法有效抑制TTD-PHD结构域对H3K9me3的识别。

这些研究发现提示：模拟mSTELLA与TTD-PHD结构域的结合模式，是发展高活性UHRF1抑制剂的新策略。进一步，研究团队利用脂质纳米颗粒（LNP）介导的mRNA递送系统，并结合体内/外功能实验证实：递送编码mSTELLA “L”型结合构象的mRNA可显著降低肿瘤特异性DNA高甲基化，并通过“表观遗传记忆效应 (epigenetic memory effects) ”实现对实体肿瘤的持久抑制，而编码hSTELLA “long α-helix”构象的mRNA则没有此活性。

UHRF1的功能异常与异常谱系分化及多种恶性肿瘤的不良预后密切相关，是肿瘤治疗的重要潜在靶标。尽管UHRF1抑制剂的发现已成为制药工业界和学术界的研究热点，目前尚无作用机制明确、能有效逆转全基因组异常DNA甲基化的特异性抑制剂。该研究不仅发展了基于mRNA-LNP技术的UHRF1靶向干预策略，还为模拟mSTELLA作用模式的UHRF1小分子或拟肽类抑制剂的发现提供依据和参照。

图. 揭示mSTELLA和hSTELLA对UHRF1功能抑制差异的分子基础，发展UHRF1靶向干预和DNA去甲基化新策略。

广州健康院白文静博士、徐进新研究员、顾文彬博士、王丹阳博士和约翰霍普金斯大学Ying Cui为本论文共同第一作者。广州健康院孔祥谦研究员、刘劲松研究员和美国约翰霍普金斯大学Stephen Baylin教授为本论文的共同通讯作者。该研究还得到了广州健康院巫林平研究员和中科院上海药物所罗成研究员的大力支持和帮助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55481-7

制版人：十一

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