靶向PRC2的抗肿瘤药物的表观遗传机理研究

Histone methyltransferase PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2) protein complex is responsible for the methylation of histone H3 on lysine 27 residue, which is associated with transcriptional repression of target genes. It is composed of the catalytic subunit EZH2/EZH1 and the scaffold protein EED, which binds to H3K27me3 and allosterically activates EZH2. We previously discovered the enzymatic inhibitor and allosteric inhibitor for PRC2 and demonstrated their anti-tumor activity, which were published in PNAS and Nat Chem Biol with the applicant as the co-first author (first listed). Although PRC2 inhibitors are in clinical trials and showed efficacy in lymphoma, their pharmacological mechanisms and biomarkers are not clear. Based on the previous studies, we will employ small molecular probes, chemical biology, epigenomics and transcriptome analysis to identify the functional critical downstream genes and pathways in lymphoma, to unravel the molecular mechanism of how PRC2 inhibitors upregulate the target gene transcription, and to characterize potential biomarkers and mechanism for drug tolerance. The current proposal complies with the requirements of the major research project. The study results will improve our understanding of the PRC2 inhibitors in clinical trials, reveal cancer epigenetic mechanism from the perspective of histone modification crosstalk, and provide new biomarkers and potential indications for the PRC2 inhibitors.

组蛋白甲基转移酶PRC2催化组蛋白H3的27位赖氨酸甲基化修饰从而抑制靶基因的转录，其核心组分包括催化亚基EZH2/EZH1和变构亚基EED等。我们前期研发出了高活性和特异性的PRC2抑制剂，并已进入临床试验，相关成果申请人作为共同第一作者（排名第一）在PNAS和Nat Chem Biol发表。虽然PRC2抑制剂对淋巴瘤有疗效，但其作用机理和肿瘤敏感性生物标志物并不清楚。基于前期研究基础，我们将利用小分子化学探针结合表观基因组和肿瘤生物学等方法揭示PRC2抑制剂在淋巴瘤中上调的关键抑癌基因及其功能，阐明PRC2抑制剂调控关键基因表达的分子机制，鉴定肿瘤敏感性生物标志物和肿瘤耐受机制。本申请符合重大研究计划的项目指南，成果将完善我们对PRC2抑制剂特性的了解，加深对H3K27甲基化和表观转录调控网络的认识，揭示肿瘤的表观遗传机理，为PRC2药物在肿瘤治疗中的应用提供生物标志物并扩大其适应症。

甲基转移酶PRC2复合体（Polycomb Repressive Complex 2）负责催化组蛋白H3第27位赖氨酸（H3K27）甲基化产物H3K27me1/2/3的形成，从而抑制靶基因的转录，是表观遗传机器中甲基转移酶类的代表，包含EZH2、EED和SUZ12三个核心亚基。在肿瘤患者样本中发现，EZH2激活热点突变（Y641）或EZH2、EED过表达可导致多种肿瘤，因此PRC2的小分子抑制剂是肿瘤药物研发的热点之一。目前已有他泽司他获得FDA批准，多个PRC2抑制剂进入2-3期多种肿瘤的临床实验，也包括我们研发的PRC2变构抑制剂。因此解析肿瘤对PRC2抑制剂的敏感性药理机制并发现可能的生物标计物、拓展适应症，对于PRC2抑制剂的开发至关重要。. 本项目中，使用首个进入临床试验的PRC2变构抑制剂MAK683，我们发现其对SMARCB1或ARID1A缺失的肿瘤细胞存在时间-剂量依赖性的生长抑制，并诱导肿瘤细胞衰老。进一步，通过表观基因组和转录组分析鉴定了一组具有高H3K27me3信号的PRC2靶基因：不仅包括已知的细胞周期抑制因子CDKN2A/p16和分化标记物基因，还有多个新鉴定的衰老相关分泌表型基因。在小鼠体内，MAK683治疗使肿瘤体积显著减小，肿瘤表现出衰老基因激活、细胞外基质重组和巨噬细胞浸润。因此，PRC2抑制剂可以通过引起多重下游效应，达到肿瘤治疗的效果。由于CDKN2A/p16基因在多种肿瘤中可发生突变或缺失而导致失活，使其对PRC2抑制剂的响应性降低。因此，PRC2抑制剂和CDK4/6抑制剂联合使用，可产生更好的肿瘤抑制效果，实验结果提供了很好的验证。总之，本研究揭示了PRC2抑制剂的抗肿瘤药理学机理，提供了联合用药策略。. 同时，我们利用PRC2酶活抑制剂进行了耐药突变的研究。我们重点聚焦在SET催化结构域之外的氨基酸序列，在基因组数据库中检索了淋巴瘤患者中的EZH2突变，并鉴定出一种新的功能获得（GoF）突变W113C，该突变增加PRC2复合体在体外和体内催化的H3K27me3，促进CDKN2A基因沉默，与经典激活突变EZH2-Y641F相似。进一步，我们发现W113C可以引起肿瘤对他泽司他的耐药，而PRC2变构抑制剂的药效则不受影响。这为PRC2复合体的结构功能调控提供了新的认识，为临床检测肿瘤突变提出了新思路。