横纹肌肉瘤是一种儿童期常见的软组织肉瘤。它分为两种亚型，分别是胚胎型横纹肌肉瘤和腺泡型纹肌肉瘤，其中腺泡型横纹肌肉瘤的预后较差。这种肿瘤一大常见特征是存在PAX3-FOXO1或PAX7-FOXO1融合基因。这些融合基因编码致癌性转录因子，是这类肿瘤生长和转移的驱动因子。过去研究人员尝试过针对这些融合基因编码的蛋白质设计靶向药物，但目前为止临床疗效仍然有限。研究发现，PAX3/7-FOXO1这些融合蛋白主要通过激活目标基因来发挥致癌作用，如果能阻断这些靶基因的转录激活，也可能达到抑制肿瘤生长的目的。近日，美国国立卫生研究院 Javed Khan 教授团队在 Nature Communications 发表题为 KDM3B inhibitors disrupt the oncogenic activity of PAX3-FOXO1 in fusion-positive rhabdomyosarcoma 的文章，论文提出通过抑制组蛋白赖氨酸去甲基化酶（KDMs) 等表观遗传学调节因子，增加组蛋白甲基化水平，从而抑制PAX3-FOXO1调控的靶基因,设计出新的靶向治疗策略。他们发现P3FI-63 和P3FI-90两个化合物对融合阳性横纹肌肉瘤有良好的抑制作用，并进一步确认KDM3B为其主要靶点。这项研究为融合阳性横纹肌肉瘤的靶向治疗提出了新的靶点和思路。
研究者先对化合物库中的62643个小分子进行高通量筛选,挑选出抑制PAX3-FOXO1转录活性的潜在化合物，从而发现了P3FI-63这一新化合物。它能显著抑制PAX3-FOXO1的转录活性，并且能诱导融合阳性横纹肌肉瘤细胞系的凋亡。
通过一系列生化研究分析，包括RNA-seq、ATAC-seq，发现P3FI-63可能的作用靶点是组蛋白去甲基化酶(KDM)。然后他们通过直接的体外酶活性测定实验证实，P3FI-63能显著抑制包括KDM3B等在内的多种KDM的活性。进一步的计算机模拟、NMR实验证实P3FI-63直接结合并抑制KDM3B的活性。
由于P3FI-63分子存在水里的溶解度不高等问题，无法直接成药。为了提高P3FI-63的临床转化潜力，作者又通过类似物搜索获得了P3FI-90这一衍生物。P3FI-90具有更好的水溶性、更低的细胞毒性且保留了对KDM的抑制活性。P3FI-90在多种体内外实验中均表现出良好的抑制PAX3-FOXO1转录活性，以及抑制融合阳性横纹肌肉瘤生长的作用。
随后，研究者用基因沉默和碱基编辑等实验，证实了KDM3B对于PAX3-FOXO1阳性横纹肌肉瘤的生长至关重要，同时抑制KDM3B和KDM1A的效果最好，和P3FI-90影响的基因最接近。
通过单细胞转录组，DNA甲基化组，Hi-C等研究，研究者进一步确认P3FI-90化合物能调节组蛋白赖氨酸H3K4和H3K9的甲基化水平，影响染色体结构，从而抑制PAX3-FOXO1融合蛋白的转录活性。最后，动物实验证明了P3FI-90能抑制融合阳性横纹肌肉瘤模型生长，在体内也能抑制PAX3-FOX1融合蛋白转录活性。本研究基于药效联合基因组学的策略，通过高通量筛选，发现了能抑制PAX3-FOXO1融合横纹肌肉瘤生长的新型化合物P3FI-26，并通过进一步修饰得到P3FI-90。后续机理研究确定它是表观遗传学调节因子，主要靶点是KDM3B和KDM1A。P3FI-63和P3FI-90两个化合物已经申请了专利保护，但这两者都还不是临床候选化合物。后续研究将聚焦药物优化工作，提高其在体内的稳定性和选择性。本研究为靶向治疗预后差的融合阳性横纹肌肉瘤打开了新的治疗策略和方向，具有重要的临床转化意义。撰文
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单细胞分析揭示腺泡型横纹肌肉瘤细胞特性和治疗靶点
*本文由深圳市拾玉儿童公益基金会“儿童肿瘤前沿”团队编译或约稿，文中图表均源引自文献原文。本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。如需转载，请留言或联系[email protected]。本文旨在分享儿童肿瘤科研前沿成果，不是治疗方案推荐。如需获得疾病治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
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Fusion-positive rhabdomyosarcoma (FP-RMS) is an aggressive pediatric sarcoma driven primarily by the PAX3-FOXO1 fusion oncogene, for which therapies targeting PAX3-FOXO1 are lacking. Here, we screen 62,643 compounds using an engineered cell line that monitors PAX3-FOXO1 transcriptional activity identifying a hitherto uncharacterized compound, P3FI-63. RNA-seq, ATAC-seq, and docking analyses implicate histone lysine demethylases (KDMs) as its targets. Enzymatic assays confirm the inhibition of multiple KDMs with the highest selectivity for KDM3B. Structural similarity search of P3FI-63 identifies P3FI-90 with improved solubility and potency. Biophysical binding of P3FI-90 to KDM3B is demonstrated using NMR and SPR. P3FI-90 suppresses the growth of FP-RMS in vitro and in vivo through downregulating PAX3-FOXO1 activity, and combined knockdown of KDM3B and KDM1A phenocopies P3FI-90 effects. Thus, we report KDM inhibitors P3FI-63 and P3FI-90 with the highest specificity for KDM3B. Their potent suppression of PAX3-FOXO1 activity indicates a possible therapeutic approach for FP-RMS and other transcriptionally addicted cancers.
DOI: 10.1038/s41467-024-45902-y
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