转录因子(Transcription factors, TFs)在癌症、自身免疫、糖尿病和心血管疾病等疾病中具有关键的生物学作用。然而,对于小分子药物设计,除了核受体之外,大多数TFs在传统意义上被认为是“不可成药”的靶点,因为它们存在显著的无序结构,且缺乏明显的小分子结合口袋[1]。近年来,靶向蛋白降解(TBD)方法逐渐兴起,伴随着化学生物学方法在配体发现和优化方面的重大进展,转录因子作为常见疾病的重要驱动因素,也成为了重点研究的药物靶点。今天分享来自于MIT科赫综合癌症研究中心的Matthew J. Henley和Angela N. Koehler于Nature Reviews Drug Discovery上发表的综述,题为Advances in targeting ‘undruggable’ transcription factors with small molecules.这篇综述综合了目前对TFs功能和基因调控的理解以及用于相关药物开发的新兴药理学方法。作者讨论了TFs参与基因调控和驱动多种疾病的基本机制,然后介绍并评述了开发TFs调节剂的成功案例。最后,作者展望并思考新兴的药物化学、生物物理学和化学生物学方法如何能更好地推进靶向TFs的小分子药物的开发。
转录因子的关键作用是将转录调节相关元件招募到特定的基因组位点以调节基因表达[2]。因此,TF一般都由至少两个关键结构域组成:识别特定 DNA 序列的DNA结合域 (DBD),以及招募转录激活或抑制元件的效应域。作为转录激活因子的TF使用反式激活域来募集染色质重塑酶、组蛋白修饰酶、转录共激活因子和/或许多通用TF,以增加靶基因的可及性,在表观遗传上将它们标记为活跃区域,实现RNA聚合酶II (Pol II)的募集和激活。相反,作为转录抑制因子的TFs使用反式抑制域来招募相应元件以降低靶基因的可及性并将它们标记为非活跃区域。在某些情况下,反式激活结构域也可以具有抑制功能,并受共阻遏蛋白的活性所调控[3]。通过这种基本的招募机制,TFs充当基因组转录输出的指导者,并在广泛的细胞过程中发挥关键作用。近期的研究使一个生物学事实逐渐明晰,即真核生物的基因调控是一个异常复杂和高度动态的过程。TF是否在特定结合位点发挥作用不仅取决于TF-DNA 复合物的热力学稳定性,还取决于诸多因素的相互作用,包括多维DNA/染色质结构,附近其他TF和共激活因子的协同作用,甚至是不同TF结合相近DNA区域造成的重叠或互作。近年来,液-液相分离(Liquid–liquid phase separation, LLPS)已成为一种流行的生物物理框架,可以使原本令人费解的转录现象合理化。例如,低复杂性本质无序区域(IDR)常出现于TF和共调节因子中,但在基于结构对应功能的蛋白研究的传统范式中,这种区域的功能往往因不可解释而被忽视。但在 LLPS理论的框架内,在给定的转录凝聚体中,可以通过简单地考虑TF中IDR的物理化学性质、浓度与对应的DNA结合位点的分布来挖掘该结构域的功能和机制,为全面研究转录因子提供新的角度和方法。转录因子被认为是极具潜力的治疗靶点的一个主要原因是转录失调在多种疾病中发挥着重要作用。转录因子作为选择性基因表达的基本驱动因素,密切参与体内转录程序的运作,而这些程序的失调是发病机制的关键[4]。癌症转录因子的致癌机制多种多样。控制生长通路的TF的过度激活和/或过度表达通常会驱动癌症增殖。相反,肿瘤抑制因子TF的异常失活能够避免细胞凋亡和癌症存活。产生融合转录因子的基因融合事件是儿童癌症的常见原因,通常会导致发育转录程序的失调。已知致癌病毒通过结合病毒转录因子的活性以及其他病毒蛋白来启动癌变。在某些神经胶质瘤中,TF仅通过重新连接其转录程序来调节一组不同的效应基因来驱动癌症发展。自身免疫/炎症性疾病转录因子是介导对感染或损伤的免疫反应的信号通路的常见终点[5]。因此,参与免疫反应的转录因子失调在自身免疫性疾病和炎症性疾病的发病机制中起着重要作用。例如,TF NF-κB是先天免疫和适应性免疫的主要调节因子,下游控制巨噬细胞中促炎细胞因子的表达以及初始CD4+ T 辅助细胞的激活和分化,而上游几种不同的信号通路调节NF-κB的激活及其向细胞核的转运。NF-κB活性的过度激活与多种炎症和/或自身免疫性疾病密切相关,例如类风湿性关节炎、炎症性肠病和多发性硬化症。糖尿病糖尿病的特点是不能正常分泌或利用胰岛素,一般来说,它是一种多基因疾病,与多个基因同时发生变化有关[6]。然而,有些形式的单基因糖尿病与单个转录因子的突变直接相关。例如,激活STAT3突变与早发1型糖尿病有关。单基因糖尿病的一种重要形式是青年发病型糖尿病 (MODY),它占20岁以下患者所有糖尿病病例的2%左右. 与MODY直接相关的六个基因中有五个是 TF,包括肝核因子HNF1α、HNF1β和HNF4α,胰岛素启动子因子IPF1和 NEUROD1。心血管疾病心血管疾病是一组与多种遗传风险因素相互关联的疾病,不一定由单一蛋白质驱动。然而,转录因子对于心血管系统的发育和维持至关重要,因此可以在某些形式的心血管疾病中发挥重要作用。例如,先天性心脏缺陷通常与控制心血管系统发育的主TF中的功能丧失突变有关。核心调节心血管TF,如 GATA、HAND、MEF2和SRF,在指导心血管系统对压力的反应中也起着关键作用,这些TF对压力和容量超负荷等刺激的过度激活可导致适应不良的心脏肥大。因此,调节这些关键性TF的具有治疗多种心血管疾病的潜力。考虑到转录因子对多种疾病的重要性,通过小分子调节TF是一个极具潜力的治疗手段。然而,除核激素受体之外,很少有药物或经充分验证的化学探针可直接靶向TF。因此许多人认为TF主要是不可成药的,因为它们具有明显的结构紊乱并且缺乏经典的小分子结合口袋。转录因子发挥作用的基本机制也促成了这一形象:大多数已知的效应域在未与伴侣蛋白结合时是无序的;而 DNA结合域结构化程度通常更高,DNA结合表面往往带有高电荷且呈凸形;这些特性都是开发选择性靶向转录因子的药物小分子的不利因素。近年来,结构表征、基本生物学见解和配体设计策略方面的进步使能够特异性识别TF的药物设计成为可能。利用配体结合域调节转录因子在先前的药物研发中,靶向转录因子中包含的配体结合域(LBD)的尝试已经获得。这类名为核激素受体的转录因子包含一个DBD和一个原型本质上无序的反式激活结构域(激活功能域1,AF1)。核受包含的折叠良好的LBD,可充当第二个可调效应域(AF2)。特定信号分子(例如,雌激素、雄激素和糖皮质激素等激素)与LBD的结合通常会通过多种机制激活TF,所以LBD可以作为调节转录活性的关键靶点。因此,药物发现界利用这一事实开发了许多核受体药物和化学探针(例如,FDA 批准的雄激素受体拮抗剂恩杂鲁胺)。抑制TF蛋白-蛋白复合物蛋白-蛋白相互作用(PPI)是TF调节和功能的一个关键特征。大多数TF受到PPI的严格调控,因此,抑制特定TF的PPI是调节TF转录活性的重要手段。小分子对 p53–MDM2 相互作用的抑制是以蛋白-蛋白复合物为药物靶标的极好例证。在癌症中,p53和泛素E3连接酶MDM2之间的相互作用,通常为癌细胞所利用,通过泛素-蛋白酶体系统下调p53水平来逃避细胞凋亡。然而,开发一种与p53结合并稳定其免受蛋白酶体降解机制影响的小分子将极具挑战性,因为p53是一种高度无序的TF。幸运的是,MDM2的p53结合位点是一个相对较小且定义明确的疏水口袋,这意味着开发p53与MDM2结合的拮抗剂成为可能(例如,spiro-oxindole MI-77301)。这些抑制剂已被证明可以通过增加p53水平有效地诱导多种癌症的凋亡细胞死亡,目前的临床试验正在研究其中的几种抑制剂。除了针对E3连接酶,开发其他 TF 调节机制的抑制剂通常被认为是靶向TF治疗的有效途径。例如,科学家对开发去泛素化酶的抑制剂有着浓厚的兴趣,这种酶的作用与泛素 E3 连接酶直接相反。因此,去泛素化酶抑制剂有可能使逃避泛素-蛋白酶体系统的过度活跃的转录因子得到正常的降解,从而延缓疾病的发展。用分子胶和单体降解剂调节稳定性。近年来,开发直接调控TF稳定性的分子胶和/或单体降解剂成为一种富有前景的药物设计理念。分子胶通过在蛋白质之间诱导非天然的相互作用,被认为是生物活性分子相对常见的一种作用机制。该领域发展的一个分水岭是发现临床批准的基于沙利度胺的抗癌免疫调节酰亚胺药物(IMiDs)通过在Ikaros锌指(IKZF)转录因子和E3连接酶CRBN之间诱导非天然PPI,导致泛素-蛋白酶体系统降解IKZF。有趣的是,IMiD克服了直接结合无序TF的挑战,而是先结合CRBN,然后稳定识别保守 IKZF 环路的界面。其他TF分子胶已被报道,包括聚酮化合物的手霉素家族,它在 p53 和 E3连接酶UBR7之间形成共价连接的PPI。许多单体降解剂也能通过分子胶机制发挥。在开发阻断 TF BCL-6 的 BTB效应域同源二聚化的抑制剂期间,发现最有效的抑制剂实际上起到单体降解剂的作用,可显着降低 BCL-6 的蛋白质水平。详细的机理研究表明,其中一种单体降解剂(BI-3802)通过分子胶型机制发挥作用,诱导BCL-6自结合成聚合物原纤维,随后被泛素-蛋白酶体降解。因此,关于分子胶和单体降解剂发挥作用的可能方式,可能还有更多有待发现,这可能使这些方法能够处理更多的转录因子。利用PROTAC技术降解TF PROTAC提供了一种更合理的方法来设计 TF 降解剂。PROTAC 是二价分子,其包含与靶蛋白结合的配体,靶蛋白与募集泛素 E3 连接酶的配体相连。与 IMiD 药物类似,PROTAC 的功能是通过诱导靶蛋白和 E3 连接酶之间的新相互作用,导致泛素-蛋白酶体系统降解靶蛋白。然而,与分子胶和单体降解剂相比,PROTAC 是模块化的,理论上,任何与目标蛋白结合的配体都有可能转化为降解剂。自从James Darnell在二十年前写下倡议书[7]以来,针对TF的领域已经取得了长足的进步。事实上,呼吁书中重点提及的一些TF(例如 STAT TF),已有成功的药物设计案例,和处于临床前开发或进入临床试验中的先导分子。虽然还有很多的 TF 尚未成功定位,但直接识别和靶向TF以及TF PPI的抑制剂的开发与创新,无疑将提供更多的富有潜力的候选药物。然而,即使使用这些经过更多尝试和验证的方法,将TF定位为一个药物靶标仍然存在重大挑战。即使对于经过充分研究的转录因子,关于其功能的影响因素仍然存在许多谜团,这些因素会产生障碍,无法合理地设计出有效药物治疗的方法。对于研究不足的TF,这一挑战将变得更加困难。因此,未来需开发更适合转录因子机制研究与化学干预的有效方法,以期在该领域取得更大的成功。[1] Lambert, S. A. et al. The human transcription factors. Cell172, 650–665 (2018).[2] Ptashne, M. & Gann, A. Transcriptional activation by recruitment. Nature 386, 569–577 (1997).[3] Spitz, F. & Furlong, E. E. M. Transcription factors: from enhancer binding to developmental control. Nat. Rev. Genet. 13, 613–626 (2012).[4] Lee, T. I. & Young, R. A. Transcriptional regulation and its misregulation in disease. Cell 152, 1237–1251 (2013).[5] Taniguchi, K. & Karin, M. NF-κB, inflammation, immunity and cancer: coming of age. Nat. Rev. Immunol. 18, 309–324 (2018).[6] Udler, M. S., McCarthy, M. I., Florez, J. C. & Mahajan, A. Genetic risk scores for diabetes diagnosis and precision medicine. Endocr. Rev. 40, 1500–1520 (2019).[7] Darnell, J. E. Transcription factors as targets for cancer therapy. Nat. Rev. Cancer 2, 740–749 (2002).
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