利用HiChIP了解Protac在阻断AR基因启动子与增强子之间的三维互作

撰文 | 漓

在真核生物中，核小体是由DNA和组蛋白形成的染色质基本结构单位，每个核小体由146bp的DNA缠绕八聚体组蛋白1.75圈形成，在物理结构上核小体本身会成为DNA复制、转录等一些与DNA相关的分子活动的障碍。因此，在基因表达的过程中需要对核小体结构进行重塑，将其转变为开放状态。增强子作为远距离调控元件在基因的表达过程中发挥着极其重要的作用，其可以通过形成loop结构与其调控的基因进行互作从而促进RNA聚合酶II的转录，于是增强子区域的染色质开放状态直接决定了下游基因的转录水平。

在癌症中，某些突变会通过影响增强子区域的染色质重塑导致相关基因的转录水平发生改变，比如先驱因子重编程、增强子劫持、增强子-启动子异常互作等都会导致下游癌基因的异常高表达。因此，针对异常增强子是一种癌症治疗的潜在方式，然而增强子维持或者互作的分子机制却不甚清楚。

SWI/SNF是一种多亚基的染色质重塑复合物，可以水解ATP提供能量以挤出核小体，从而打开染色体构象以便转录机器结合。目前发现大约20%的肿瘤中有SWI/SNF突变，这些突变会导致其亚基异常激活使下游靶点癌基因的异常表达，从而促进癌症的发展。因此靶向SWI/SNF的药物将有可能用于治疗癌症，事实上已经有多项研究开发靶向SWI/SNF亚基的抑制剂或者降解剂，但是却没有对这些抑制剂/降解剂癌症疗效方面的研究。

2021年12月22日，密歇根大学医学院的Arul M. Chinnaiyan博士团队在Nature发表题为Targeting SWI/SNF ATPases in enhancer-addicted prostate cancer，开发了蛋白降解剂AU-15330通过改变染色质构象实现了抑制前列腺癌的发展。

PROTAC技术是一种利用小分子诱导靶蛋白泛素化，利用泛素化蛋白酶体途径实现靶向蛋白敲降的技术。PROTAC由靶蛋白配体、E3泛素连接酶配体和连接链构成。该小分子可诱导该靶蛋白与E3泛素连接酶相互作用，从而实现靶蛋白的非天然泛素化，被泛素化的靶蛋白进一步被蛋白酶体识别而降解。研究人员首先基于蛋白降解靶向嵌合体技术（proteolysis-targeting chimera，PROTAC）开发了SWI/SNF染色质重塑复合物蛋白降解剂—AU-15330，该小分子可以靶向SWI/SNF的SMARCA2 (BRM)、SMARCA4 (BRG1) 和PRBM1，并且以浓度依赖的形式降解这三个蛋白，同时具有靶点降解特异性。

那么AU-15330对癌细胞的效果如何呢？研究人员采取了广筛的策略，对14种肿瘤或正常细胞类型进行了处理，发现AR（雄激素受体）和FOXA1阳性的前列腺癌细胞（如VCaP细胞）对于AU-15330异常敏感（IC50<100nM），即AU-15330可以导致这些细胞增殖减缓和死亡。与之相比AR/FOXA1双阴性前列腺癌细胞的IC50为100~400nM，前列腺正常细胞的IC50>1000nM。

鉴于SWI/SNF参与染色质重塑，因此研究人员使用了ATAC-Seq对AU-15330处理不同时间后的VCaP进行了测序分析，发现了超过30000处的染色质可及性快速消失，而这些区域主要富集于远端调控元件如增强子区域，比如AR, FOXA1, HOXB13、ERG等原癌基因的结合位点，以及启动子区域比如PolII和E2F结合位点。同时，研究人员利用ChIP-Seq对与转录激活相关的H3K27Ac在染色质上发的分布信号进行了分析，同样也发现了类似的现象。转录组分析进一步揭示了AR、FOXA1、MYC所调控的下游基因表达量在AU-15330处理后显著下降。

已经有研究报道，在癌症中原癌基因如AR、FOXA1和MYC的高表达与启动子与超级增强子异常互作有关。为进一步确定超级增强子与启动子之间的互作关系，研究人员利用HiChIP-seq技术对H3K4me3（活跃启动子的marker）和H3K27Ac进行了分析，结果显示AU-15330可以显著阻断AR基因启动子与增强子之间的三维互作（如下图），FOXA1亦是如此。

最后，研究人员利用动物模型评估了AU-15330的药效特征，长时间处理并没有给免疫正常的小鼠带来任何毒性，利用去势抵抗治疗的异种移植瘤小鼠模型证明了AU-15330可以显著抑制肿瘤的增长，与恩杂鲁胺（enzalutamide，雄激素受体拮抗剂）可以进一步促进治疗效果，另外对于恩杂鲁胺抵抗的细胞，AU-15330也可以起到抑制的效果。

总之，在这项研究中，作者基于PROTAC技术开发了染色质重塑复合物SWI/SNF的蛋白降解剂AU-15330，该降解剂一方面可以通过破坏染色质构象即超级增强子—启动子互作降低原癌基因诸如AR的表达，另一方面可以改变AR等原癌基因结合位点的染色质可及性调控其下游基因的表达（下图）。同时，研究人员还证明了AU-15330在AR+FOXA1前列腺癌中的治疗潜力，也为利用靶向SWI/SNF策略以治疗相关肿瘤奠定了基础。

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https://doi.org/10.1038/s41586-021-04246-z

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