梁凯威博士等发现了新型转录超级延伸复合物抑制剂，及其对MYC转录成瘾肿瘤的治疗作用

2018 年 10 月 20 日 未来产业促进会

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责编丨迦溆

背景

超级延伸复合物（Super Elongation Complex, SEC）是由AFF，ELL，ENL，EAF蛋白和P-TEFb（CDK9 和 CCNT1）等组成的多亚基复合物，最初由Ali Shilatifard实验室、Michael Cleary实验室和周强实验室在同段时间内发现和报道【1-3】。SEC复合物通过骨架AFF4蛋白连接起两个不同的功能模块，其中的P-TEFb模块可以通过磷酸化RNA聚合酶II调节转录起始点下游的聚合酶II从暂停到延伸的转换，促进基因的转录延伸，另外的ELL蛋白模块可以促进RNA聚合酶II的转录延伸效率 【4，5】。与SEC功能相似的复合物还有BRD4-P-TEFb复合物，其主要通过BRD4与组蛋白K27乙酰化修饰结合，利用P-TEFb调节RNA聚合酶II从暂停到延伸的转换。目前大部分的研究主要集中在BRD4中BET结构域的抑制剂开发 【6-8】。

SEC复合物在发育、HIV病毒基因转录和细胞对环境的快速反应中发挥重要的作用。SEC的亚基也可以与混合谱系白血病基因MLL发生融合产生MLL融合蛋白，这些融合蛋白可以招募SEC复合物导致混合谱系白血病的产生【9】（Cell丨MLL重排依赖的白血病的新型靶向治疗方案）。另外AFF4的功能获得型突变通过稳定AFF4蛋白，导致发育疾病CHOPS综合症（ cognitive impairment and coarse facies, heart defects, obesity, pulmonary involvement, and short stature and skeletal dysplasia）【10】。因此，开发新的SEC抑制剂对于SEC在转录调控的机制研究和开发SEC作为药物治疗靶标具有重要的意义。

2018年10月19日以美国西北大学的生化与分子遗传学系主任Ali Shilatifard为首的多个团队（Ali Shilatifard实验室的梁凯威博士为此文章的第一作者, 刚刚加入武汉大学医学部）合作在Cell杂志在线发表了题为Targeting Processive Transcription Elongation via SEC Disruption for Myc-Induced Cancer Therapy的研究长文。该研究开发了两个抑制SEC（超级延伸复合物，super elongation complex ）复合物中AFF4和CCNT1相互作用的先导化合物，并且发现这些抑制剂可以在基因转录调控层面上发挥两个作用：1、抑制基因转录从聚合酶II暂停到延伸的转换； 2、抑制转录延伸阶段的延伸速度。同时该研究发现SEC抑制剂可以抑制MYC和MYC下游靶标基因如RNA剪辑因子的转录，揭示了SEC抑制剂可以用于MYC依赖的转录成瘾的肿瘤的治疗，具有重要的转录机制研究和临床治疗意义。

文章解读

在这项研究中，研究人员利用AFF4-PTEFb晶体结构【11】，通过in Silico分子模拟对ZINC小分子库进行筛选，并进一步筛选出40个可能具有抑制AFF4-CCNT1结合的小分子化合物。研究人员通过建立AFF4和CCNT1相互作用的AlphaLISA实验，鉴定出一个具有抑制AFF4和CCNT1相互结合的小分子化合物（KL1），然后进一步通过相似性查找发现了另外一个具有相似骨架的化合物KL2。 KL1和KL2与AFF4蛋白的多肽LFAEP高度相似，并且发现KL1/2抑制剂可以导致细胞内SEC的降解。

图一：SEC抑制剂的筛选和鉴定

通过比较SEC的敲减和KL1/2抑制剂，研究人员发现发现敲减SEC或者KL1/2处理都可以从基因组水平抑制转录起始点下游RNA聚合酶II从暂停到转录延伸的转变，降低RNA聚合酶II的持续合成能力，并且表现出与RNA聚合酶II的慢速突变株相似的表型。因此，研究团队开发和改良了一种新的RNA聚合酶II转录延伸速度的测量和分析方法，并且发现KL1/2可以显著地降低RNA聚合酶II的转录延伸速度。

图二：SEC抑制剂抑制RNA聚合酶II的转录延伸速度。

为了验证SEC抑制剂的功能，研究团队分别在SEC复合物依赖的热休克反应模型和HIV-TAT模型中进行了测试。他们发现SEC抑制剂KL1/2可以抑制SEC复合物依赖的热休克反应和HIV-TAT介导的病毒基因组转录。研究人员的进一步发现SEC抑制剂KL1/2可以降低MYC基因和MYC下游的的重要靶标基因-RNA剪辑因子【12】的表达，并且发现MYC可以通过招募SEC促进靶标基因的转录延伸。这些数据表明SEC复合物直接参与MYC对下游靶标基因的调控，对MYC介导的转录成瘾的肿瘤具有重要的靶向治疗意义【13】。研究人员更进一步在MYC依赖的乳腺癌动物模型中证明了SEC抑制剂KL1和KL2可以减缓肿瘤的生长和延长负荷小鼠的生存期。

图三：SEC抑制剂作用的模式图。

该研究首次报道了两个结构类似的SEC复合物抑制剂，阐明了SEC复合物介导转录调控的具体分子机制，发现了SEC复合物参与MYC对靶标基因的转录延伸调控，并且证明了SEC复合物可以作为MYC转录成瘾的肿瘤的治疗靶点。这些SEC抑制剂对SEC紊乱所导致的其他疾病也具有重要的研究价值和治疗意义。

刚刚加入武汉大学基础医学院的梁凯威为本文的第一作者；美国西北大学的Ali Shilatifard教授为本文的通讯作者。

参考文献

1. N. He, M. Liu, J. Hsu, Y. Xue, S. Chou, A. Burlingame, N. J. Krogan, T. Alber, and Q. Zhou, Hiv-1 Tat and Host Aff4 Recruit Two Transcription Elongation Factors into a Bifunctional Complex for Coordinated Activation of Hiv-1 Transcription. Mol Cell, 2010. 38(3): p. 428-38.

2. C. Lin, E. R. Smith, H. Takahashi, K. C. Lai, S. Martin-Brown, L. Florens, M. P. Washburn, J. W. Conaway, R. C. Conaway, and A. Shilatifard, Aff4, a Component of the Ell/P-Tefb Elongation Complex and a Shared Subunit of Mll Chimeras, Can Link Transcription Elongation to Leukemia. Mol Cell, 2010. 37(3): p. 429-37.

3. A. Yokoyama, M. Lin, A. Naresh, I. Kitabayashi, and M. L. Cleary, A Higher-Order Complex Containing Af4 and Enl Family Proteins with P-Tefb Facilitates Oncogenic and Physiologic Mll-Dependent Transcription. Cancer Cell, 2010. 17(2): p. 198-212.

4. A. Shilatifard, W. S. Lane, K. W. Jackson, R. C. Conaway, and J. W. Conaway, An Rna Polymerase Ii Elongation Factor Encoded by the Human Ell Gene. Science, 1996. 271(5257): p. 1873-6.

5. A. Shilatifard, D. R. Duan, D. Haque, C. Florence, W. H. Schubach, J. W. Conaway, and R. C. Conaway, Ell2, a New Member of an Ell Family of Rna Polymerase Ii Elongation Factors. Proc Natl Acad Sci U S A, 1997. 94(8): p. 3639-43.

6. P. Filippakopoulos, J. Qi, S. Picaud, Y. Shen, W. B. Smith, O. Fedorov, E. M. Morse, T. Keates, T. T. Hickman, I. Felletar, M. Philpott, S. Munro, M. R. McKeown, Y. Wang, A. L. Christie, N. West, M. J. Cameron, B. Schwartz, T. D. Heightman, N. La Thangue, C. A. French, O. Wiest, A. L. Kung, S. Knapp, and J. E. Bradner, Selective Inhibition of Bet Bromodomains. Nature, 2010. 468(7327): p. 1067-73.

7. M. A. Dawson, R. K. Prinjha, A. Dittmann, G. Giotopoulos, M. Bantscheff, W. I. Chan, S. C. Robson, C. W. Chung, C. Hopf, M. M. Savitski, C. Huthmacher, E. Gudgin, D. Lugo, S. Beinke, T. D. Chapman, E. J. Roberts, P. E. Soden, K. R. Auger, O. Mirguet, K. Doehner, R. Delwel, A. K. Burnett, P. Jeffrey, G. Drewes, K. Lee, B. J. Huntly, and T. Kouzarides, Inhibition of Bet Recruitment to Chromatin as an Effective Treatment for Mll-Fusion Leukaemia. Nature, 2011. 478(7370): p. 529-33.

8. G. E. Winter, D. L. Buckley, J. Paulk, J. M. Roberts, A. Souza, S. Dhe-Paganon, and J. E. Bradner, Drug Development. Phthalimide Conjugation as a Strategy for in Vivo Target Protein Degradation. Science, 2015. 348(6241): p. 1376-81.

9. K. Liang, A. G. Volk, J. S. Haug, S. A. Marshall, A. R. Woodfin, E. T. Bartom, J. M. Gilmore, L. Florens, M. P. Washburn, K. D. Sullivan, J. M. Espinosa, J. Cannova, J. Zhang, E. R. Smith, J. D. Crispino, and A. Shilatifard, Therapeutic Targeting of Mll Degradation Pathways in Mll-Rearranged Leukemia. Cell, 2017. 168(1-2): p. 59-72 e13.

10. K. Izumi, R. Nakato, Z. Zhang, A. C. Edmondson, S. Noon, M. C. Dulik, R. Rajagopalan, C. P. Venditti, K. Gripp, J. Samanich, E. H. Zackai, M. A. Deardorff, D. Clark, J. L. Allen, D. Dorsett, Z. Misulovin, M. Komata, M. Bando, M. Kaur, Y. Katou, K. Shirahige, and I. D. Krantz, Germline Gain-of-Function Mutations in Aff4 Cause a Developmental Syndrome Functionally Linking the Super Elongation Complex and Cohesin. Nat Genet, 2015. 47(4): p. 338-44.

11. U. Schulze-Gahmen, H. Upton, A. Birnberg, K. Bao, S. Chou, N. J. Krogan, Q. Zhou, and T. Alber, The Aff4 Scaffold Binds Human P-Tefb Adjacent to Hiv Tat. Elife, 2013. 2: p. e00327.

12. T. Y. Hsu, L. M. Simon, N. J. Neill, R. Marcotte, A. Sayad, C. S. Bland, G. V. Echeverria, T. Sun, S. J. Kurley, S. Tyagi, K. L. Karlin, R. Dominguez-Vidana, J. D. Hartman, A. Renwick, K. Scorsone, R. J. Bernardi, S. O. Skinner, A. Jain, M. Orellana, C. Lagisetti, I. Golding, S. Y. Jung, J. R. Neilson, X. H. Zhang, T. A. Cooper, T. R. Webb, B. G. Neel, C. A. Shaw, and T. F. Westbrook, The Spliceosome Is a Therapeutic Vulnerability in Myc-Driven Cancer. Nature, 2015. 525(7569): p. 384-8.

13. J. E. Bradner, D. Hnisz, and R. A. Young, Transcriptional Addiction in Cancer. Cell, 2017. 168(4): p. 629-643.

梁凯威实验室博后招聘启事

梁凯威，武汉大学基础医学院教授，博士生导师，2017年国家“XX计划”青年项目入选者。2007年和2009于武汉大学生命科学学院获得学士和硕士学位，2016年获得Stowers医学研究所博士学位，2016到2018年于美国西北大学费恩伯格医学院（Feinberg School of Medicine）从事博士后研究，2018年3月入职武汉大学基础医学院。目前共发表SCI论文14篇（其中第一作者论文6篇，含2篇Cell， 1篇Molecular Cell封面论文），申请美国专利2项。申请人现为美国实验病理学会员，曾分别应邀在美国ASBMB年会和ASIP年会做口述报告，同时担任血液学和肿瘤学多个杂志的审稿人。

课题组主要利用蛋白质组学和基因组学研究遗传变异所导致的造血干细胞的恶性转化为白血病的发病机制，探索和鉴定全新的分子治疗靶标和靶向治疗策略。采用MLL染色体易位所导致的混合系白血病为疾病模型，取得了以下主要成果：（1）发现了炎性信号通路介导野生型MLL泛素化降解的分子机制，揭示了稳定野生型MLL可以靶向混合系白血病中MLL融合蛋白和SEC的转录依赖，提出了稳定野生型MLL蛋白作为治疗混合系白血病的新策略（Cell, 2017）；（2）首次研发了SEC抑制剂KL-1和KL-2, 发现它们抑制SEC介导的转录延伸和转录成瘾，是肿瘤转录成瘾的全新靶向治疗药物（Cell，2018）；（3）系统研究了转录辅助因子和激酶参与转录调控的具体机制以及其异常在肿瘤中的功能（Molecular Cell, 2015, MCB, 2015, JBC, 2015， Genes Dev， 2012 & 2017）。

课题组的长期目标是研究血液肿瘤中的转录调控和转录成瘾机制，发现新的治疗靶点和开发新的靶向治疗药物。具体方向包括：

1. 遗传变异所导致的白血病的发病机制和靶向治疗。

2. 肿瘤中的转录成瘾机制和新靶标鉴定。

3. 表观遗传变异在白血病发病和转录成瘾中的功能。

代表性成果

1. K. Liang, E. R. Smith, Y. Aoi, K. L. Stoltz, H. Katagi, A. R. Woodfin, E. J. Rendleman, S. A. Marshall, D. C. Murray, L.Wang, P. A. Ozark, R.K. Mishra, R. Hashizume, G. E. Schiltz, and A. Shilatifard, Targeting Processive Transcription Elongation via SEC Disruption for Myc-Induced Cancer Therpy. Cell, 2018 (In press).

2.K. Liang, A. G. Volk, J. S. Haug, S. A. Marshall, A. R. Woodfin, E. T. Bartom, J. M. Gilmore, L. Florens, M. P. Washburn, K. D. Sullivan, J. M. Espinosa, J. Cannova, J. Zhang, E. R. Smith, J. D. Crispino, and A. Shilatifard, Therapeutic Targeting of Mll Degradation Pathways in Mll-Rearranged Leukemia. Cell, 2017. 168(1-2): p. 59-72 e13. (Previewed by NEJM)

3.K. Liang, A. R. Woodfin, B. D. Slaughter, J. R. Unruh, A. C. Box, R. A. Rickels, X. Gao, J. S. Haug, S. L. Jaspersen, and A. Shilatifard, Mitotic Transcriptional Activation: Clearance of Actively Engaged Pol Ii Via Transcriptional Elongation Control in Mitosis. Mol Cell, 2015. 60(3): p. 435-45. （封面文章）

4.K. Liang, X. Gao, J. M. Gilmore, L. Florens, M. P. Washburn, E. Smith, and A. Shilatifard, Characterization of Human Cyclin-Dependent Kinase 12 (Cdk12) and Cdk13 Complexes in C-Terminal Domain Phosphorylation, Gene Transcription, and Rna Processing. Mol Cell Biol, 2015. 35(6): p. 928-38.

5.K. Liang, L. Yang, C. Yin, Z. Xiao, J. Zhang, Y. Liu, and J. Huang, Estrogen Stimulates Degradation of Beta-Amyloid Peptide by up-Regulating Neprilysin. J Biol Chem, 2010. 285(2): p. 935-42.

6.L. Wang, C. K. Collings, Z. Zhao, K. A. Cozzolino, Q. Ma, K. Liang, S. A. Marshall, C. C. Sze, R. Hashizume, J. N. Savas, and A. Shilatifard, A Cytoplasmic Compass Is Necessary for Cell Survival and Triple-Negative Breast Cancer Pathogenesis by Regulating Metabolism. Genes Dev, 2017. 31(20): p. 2056-2066.

7.C. C. Ebmeier, B. Erickson, B. L. Allen, M. A. Allen, H. Kim, N. Fong, J. R. Jacobsen, K. Liang, A. Shilatifard, R. D. Dowell, W. M. Old, D. L. Bentley, and D. J. Taatjes, Human Tfiih Kinase Cdk7 Regulates Transcription-Associated Chromatin Modifications. Cell Rep, 2017. 20(5): p. 1173-1186.

8.H. M. Herz, M. Mohan, A. S. Garruss, K. Liang, Y. H. Takahashi, K. Mickey, O. Voets, C. P. Verrijzer, and A. Shilatifard, Enhancer-Associated H3k4 Monomethylation by Trithorax-Related, the Drosophila Homolog of Mammalian Mll3/Mll4. Genes Dev, 2012. 26(23): p. 2604-20.

9.A .Shilatifard, K. Liang and E.R. Smith, Therapeutic Targeting Of Interleukin-1 Receptor-Associated Kinase 4 (Irak4) In Cancers Characterized By Rearrangements In The Mixed Lineage Leukemia Gene (MLL-R)，Serial No. 15/497,783 (专利)

10.A. Shilatifard, K.Liang, E. R Smith, and G. E. Schiltz, Small Molecules for Disrupting the Super Elongation Complex and Inhibiting Transcription Elongation for Cancer Therapy, Serial No. 62/645,890 (专利)