HDAC8

HDAC8是一种Zn²⁺依赖型的I类去乙酰化酶HDAC，通过催化粘连蛋白cohesin亚基SMC3去乙酰化，在细胞周期过程中发挥重要作用。HDAC8过表达能够增强多种癌细胞的增殖、转移及抗药性，而其突变会导致多种严重的先天性遗传疾病，例如狄朗热综合征（CdLS）和杜欣氏肌萎缩症（DMD）。尽管目前对HDAC8的结构和功能已有较为深入的研究，但其在细胞周期调控中的具体机制仍有待进一步阐明。 2024年7月，复旦大学余巍组在EMBO Reports在线发表题为“Reversible acetylation of HDAC8 regulates cell cycle”的文章，该研究揭示了HDAC8的可逆乙酰化修饰作为应激响应的关键细胞周期调节因子。 本研究发现HDAC8作为一个去乙酰化酶存在乙酰化修饰，负向调控其酶活，且HDAC8乙酰化水平在细胞周期过程中表现出动态变化。有趣的是，外部环境刺激比如葡萄糖剥夺能够促进乙酰基转移酶Tip60催化HDAC8乙酰化，导致粘连蛋白cohesin亚基SMC3乙酰化水平增加和细胞周期停滞。 此外，构建模拟HDAC8乙酰化突变的细胞表现出广泛的基因转录表达变化，这可能与三维基因组结构的改变尤其是染色质环的增强有关。数据还表明，HDAC8乙酰化通过破坏细胞周期相关基因的表达和姐妹染色单体的粘连，负向调控细胞周期进展，导致G2/M期停滞。这些发现阐明HDAC8的可逆乙酰化修饰作为一种新的细胞周期调控因子，拓展了对细胞周期动态调控过程的理解，尤其是应激响应机制。 在这项研究中，课题组构建了表达模拟乙酰化突变的HDAC8-KQ 基因敲入细胞。为了研究3D基因组结构的变化，课题组对经典Hi-C技术进行了简便而有效的改进，应用于难以大量获取的HDAC8-KQ Knock-in细胞，显著减少实验过程中样本DNA的损失。改进后的Hi-C方法能够利用少量细胞生成高分辨率的Hi-C图谱，这有利于拓展了Hi-C技术的应用范围，尤其是为研究稀有临床样本的染色质三维结构提供了方法的支持。 HDAC8在人类病理生理学中发挥着重要功能，较为典型的是其突变可以导致罕见的多系统发育缺陷疾病——狄朗热综合征（CdLS）。本研究首次揭示了HDAC8在调控细胞周期过程中姐妹染色单体内聚以及染色质三维结构的重要角色，暗示CdLS患者细胞中广泛的基因转录缺陷可能与HDAC8介导的染色质三维结构调控密切相关，为CdLS等HDAC8相关疾病的致病机制提供了新的见解。 本研究受到国家自然科学基金和科技部重点研发计划资助。复旦大学研究生桑超伟和李雪东为本文共同第一作者，余巍教授是通讯作者，复旦大学于淼研究员和林金钟教授对该研究提供重要帮助。 论文链接： http://doi.org/10.1038/s44319-024-00210-w 原文链接： https://life.fudan.edu.cn/7b/a8/c28140a687016/page.htm 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！

2024年8月7日，浙江大学海洋学院的马忠俊教授及其团队在国际顶级期刊《Journal of Medicinal Chemistry》上发表了一篇题为“Natural Derivatives of Selective HDAC8 Inhibitors with Potent in Vivo Antitumor Efficacy against Breast Cancer”的研究论文。该研究主要对海洋微生物来源的天然产物corallorazine D进行了结构修饰，得到了具有优异HDAC8抑制能力（IC50 = 0.12 ± 0.01 nM）和高亚型选择性（相对于化合物5具有445倍选择性）的化合物5k。 HDAC8是一种组蛋白去乙酰化酶（HDAC）家族的亚型，是基因转录和翻译的重要调控因子。在侵袭性乳腺癌细胞中，HDAC8的表达显著增加。此外，HDAC8还参与了肿瘤免疫的调控，因此HDAC8抑制剂有潜力成为新型肿瘤免疫治疗药物。 研究人员从拟诺卡氏菌Nocardiopsis sp. XZB108的发酵液中提取了9种新的次级代谢产物。通过高分辨质谱和二维核磁共振对这些化合物的结构进行了鉴定，并通过与标准品的圆二色谱对照，确定了它们的结构。在HDAC抑制测试中，化合物5（corallorazine D）对HDAC8显示了中等抑制效果（IC50 = 0.90 ± 0.014 μM），且对HDAC1和HDAC6无抑制活性。而其他8个化合物均未显示出对HDAC8的抑制效果。分子对接研究解释了这一实验结果：化合物5的脂肪链C6和C8位上的两个羟基能够与HDAC8的锌离子产生更强的相互作用。 图1：corallozaine D（化合物5）的结构及与HDAC8的分子对接结果 为了提高化合物5的活性，并简化其结构和合成路线，研究团队开展了化合物的改造与构效关系研究。基于化合物5的特殊2,5-哌嗪二酮（DKP）结构，研究团队设计并合成了30个化合物。首先，他们设计了将化合物5的内酰胺环替换为DKP环的化合物S1；其次，将脂肪链移位，连接在DKP核上的环外双键结构，得到化合物S2；然后用苯环替换共轭双键结构，得到化合物S3；最后，将C6-C8二羟基结构替换为HDAC抑制剂的药效团羟肟酸，并舍去C1-C5的末端脂肪链，得到化合物S4。分子对接结果显示，化合物S4的得分最高。 图2：化合物改造思路和化合物S1-S4的结构 构效关系研究基于两方面展开：第一，研究DKP 2位酰胺N原子上的取代基对活性的影响；第二，研究关键药效团DKP和羟肟酸之间连接方式和长度（linker）对活性的影响。 研究表明，当酰胺N原子上的取代基为炔丙基或甲基时，HDAC8的抑制活性得以较好保持，而当无取代基时（如化合物5c），HDAC8的抑制活性完全丧失。 表1：化合物5a-5c的HDACs抑制活性研究 在上述研究基础上，研究人员在母化合物的苯环和羟肟酸之间引入了额外的linker，得到化合物5d-5f和8系列。其中，化合物8f和8g通过引入额外的酰胺片段，显示了较好的活性。相比之下，柔性的linker（如化合物8h-8o）对HDAC1和HDAC6的选择性较低，而刚性linker使得化合物更好地与HDAC8的疏水空腔结合，从而提高了活性。化合物5f的活性和选择性均表现良好，研究人员基于此继续下一阶段的构效关系研究。 表2：化合物5d-5f和8系列的HDACs抑制活性 进一步研究中，研究人员在化合物5f中引入较为刚性的反式烯烃linker，并在苯环的linker上引入了具有不同电子性质和位置的取代基。在苯环靠近羟肟酸一侧的邻位引入甲氧基后，得到化合物5k，其HDAC8抑制活性和选择性均达到最佳水平（IC50 HDAC8 = 0.12 ± 0.01 nM，HDAC1 = 1300.13 ± 8.13 nM，HDAC6 = 52.71 ± 2.15 nM）。 表3：化合物5g-5r的HDACs抑制活性 研究人员优选了化合物5f和5k，并与阳性化合物trichostatin A以及已知的HDAC8选择性抑制剂PC-34051进行了HDAC1-11的抑制研究。结果显示，化合物5k的抑制活性最佳，并且对其他HDAC亚型的选择性优于PC-34051。通过诱导变形对接，化合物5k与HDAC8、HDAC3、HDAC6和HDAC1的关键氨基酸残基的相互作用显示，其良好的选择性来源于它与其他HDAC亚型的低相互作用。同时，化合物5k的体内药动学研究显示其具有良好的药动学特性。Western blot结果表明，化合物5k能够在MDA-MB-231细胞系中抑制HDAC8底物SMC3的去乙酰化，并且其对HDAC1/6底物的选择性与阳性对照相当。 图3：化合物5k的Western Blot 研究团队选择化合物5k作为体内研究的候选分子。在体外抗肿瘤实验中，化合物5k的IC50 > 20 μΜ。然而，阳性对照PCI-34051对免疫系统正常的C57BL/6小鼠通过抗PD-L1活性表现出显著的肿瘤负担减轻效果，而在免疫缺陷的Balb/c小鼠中无此效果。因此，研究人员决定将化合物5k应用于抗4T1乳腺癌小鼠的体内研究。 在50 mg/kg剂量下，化合物5k显示出优异的肿瘤抑制效果，其肿瘤生长抑制率为79.1%（对比：上市药物SAHA为20.4%，25 mg/kg剂量组为29.4%）。此外，化合物5k对小鼠体重的影响与空白对照相似。对小鼠不同器官的组织病理学研究显示，5k对重要器官无显著损害和毒性影响。 图4：化合物5k的体内抗4T1乳腺癌肿瘤作用 由于HDAC抑制剂可以通过激活免疫反应来抑制肿瘤增殖，研究人员进一步探讨了化合物5k对肿瘤免疫的促进作用。化合物5k能够上调淋巴细胞CD3+、CD4+和CD8+的数量。与HDAC泛抑制剂SAHA相比，50 mg/kg的化合物5k能够上调细胞因子CCL4在4T1移植瘤中的表达，从而促进肿瘤免疫反应，导致肿瘤消退。 图5：化合物5k对抗肿瘤免疫的影响 肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）与肿瘤的早期原位复发和转移瘤形成有关，TAMs的聚集会严重损害抗肿瘤免疫功能，其中M1显示抗肿瘤作用，M2则促进肿瘤生长。研究发现，50 mg/kg 5k作用下，M1/M2的比例较对照SAHA有3倍提升。以上结果表明，化合物5k通过抑制HDAC8上调了淋巴细胞水平和细胞因子表达，同时提高了M1 TAMs的比例，从而增强了抗肿瘤免疫反应。这些因素使得化合物5k展现出了在体外实验中未显示的抗肿瘤活性。 图6：化合物5k对TAMs的影响 综上所述，对海洋微生物衍生物corallorazine D的研究，合成了具有高效HDAC8抑制活性和选择性的化合物5k（IC50 = 0.12 nM）。通过构效关系研究，改进了化合物结构，并在小鼠模型中显示出显著的抗乳腺癌效果。研究表明，化合物5k通过增强肿瘤免疫反应，抑制了肿瘤生长，表现出优异的药动学特性和低毒性。 原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.4c01438 声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！ 长按关注本公众号  粉丝群/投稿/授权/广告等 请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓

在这项最新研究中，研究团队阐明了SMC3在心脏发育中的重要性，它通过调控包含超级增强子（SE）的特定空间染色质结构，有效地控制了对心脏发生至关重要的主控基因的表达。 复旦大学马竞研究员、马端教授、黄国英教授及郑州大学郝冰涛教授团队（复旦大学博士生张博文、郑州大学博士生朱永常为论文共同第一作者）在 Nature 旗下期刊 Experimental & Molecular Medicine 上发表了题为：SMC3 contributes to heart development by regulating super-enhancer associated genes 的研究论文。 该研究揭示了黏连蛋白（Cohesin）成分相关基因SMC3通过调控超级增强子（SE）相关基因参与心脏发育，确立了SMC3与先天性心脏病（CHD）之间的关联，并为心脏发育的分子基础提供了关键见解。 许多超级增强子（SE）与它们所调控的基因在位置上相距较远，并常常通过由黏连蛋白（Cohesin）介导的染色质环来调节其靶基因。黏连蛋白是一种呈环形的蛋白质复合物，起着“染色质胶水”的作用，由NIPBL加载到染色质上，通过DNA挤出形成染色质环，将远端的超级增强子与启动子连接起来以协调基因表达。 科妮莉亚·德·朗格综合征（CdLS）是一种罕见遗传疾病，由编码黏连蛋白成分的基因发生突变引起，包括NIPBL（65%）、HDAC8（8%）、SMC1A（5%）和SMC3（1–2%）。值得注意的是，相当比例的CdLS患者还表现出先天性心脏病（CHD），这对发病率和死亡率有显著影响。 对模型动物心脏表型的分析表明，NIPBL缺乏会导致与黏连蛋白病相关的心脏缺陷。通过在小鼠胚胎的不同心脏细胞谱系中表达Cre酶构建的Nipbl杂合小鼠模型，由于细微的全局转录失调，高频出现先天性心脏畸形——房间隔缺损（ASD）。Nipbl敲低的斑马鱼在异常内胚层发育的情况下表现出心脏缺陷。然而，黏连蛋白缺陷导致先天性心脏病的详细机制仍不清楚，特别是在涉及其他黏连蛋白成分的基因突变的情况下。 在这项最新研究中，研究团队阐明了SMC3在心脏发育中的重要性，它通过调控包含超级增强子（SE）的特定空间染色质结构，有效地控制了对心脏发生至关重要的主控基因的表达。 具体来说，研究团队发现，患有SMC3突变的CdLS患者的先天性心脏病（CHD）的发生率很高。研究团队利用心脏特异性Smc3基因敲除（SMC3-cKO）小鼠，这些小鼠表现出不同程度的心室流出道异常，以进一步探索这种关系。 心脏特异性Smc3基因敲除小鼠的心室流出道缺陷 此外，研究团队还在患有孤立性先天性心脏病的患者中鉴定出16种具有潜在致病性的罕见SMC3基因突变，其表型与在SMC3-cKO小鼠中观察到的相似。 通过采用单核RNA测序和染色体构象捕获高通量全基因组易位测序，研究团队揭示了Smc3缺失通过特异性减少超级增强子（SE）与启动子之间的相互作用，下调了心室流出道心肌细胞中包括Ets2在内的关键基因的表达。值得注意的是，Ets2-SE缺失小鼠的心脏中心室流出道发育也出现延迟。 Ets2超级增强子缺失延迟了小鼠心室流出道的发育 总的来说，该研究揭示了SMC3通过调控超级增强子（SE）相关基因在心脏发育中的新作用，表明了SMC3在心脏发育中的重要功能，确立了SMC3与先天性心脏病（CHD）之间的关联，并为心脏发育的分子基础提供了关键见解。