近期，上海科技大學與上海交通大學團隊合作，證明了一種藥物通過相變引起染色質構相變化的新機制。他們發現，抗腫瘤藥物阿黴素（adriamycin，或稱 doxorubicin）可特異性地誘導癌症和原代細胞中染色質的局部凝聚以及整體構象變化。在機制上，阿黴素與組蛋白 H1 結合併誘導 H1 的相變，形成相分離凝聚物。
這些結果顯示，化學藥物能驅動生物大分子的相變，可能通過相變引起生物效應，與諸如靶向藥物、酶抑制劑或 DNA 損傷試劑等傳統作用機制不同。該研究為藥物小分子利用相分離機制起作用奠定了理論和現實基礎，並為新藥開發提供了新的思路。
圖丨相關論文（來源：Nature Communications）
近日，相關論文以《染色質的化學誘導相變和整體構象重組》（Chemical-induced phase transition and global conformational reorganization of chromatin）為題發布在 Nature Communications[1]。上海科技大學博士生王騰飛、史述香（現臨港實驗室）、上海交通大學助理研究員石元元、博士研究生薑佩佩、上海科技大學助理研究員胡甘露為論文共同第一作者，上海科技大學助理教授林照博、上海交通大學研究員卞遷為該論文共同通訊作者。
圖丨阿黴素誘導的染色質重組模型（來源：Nature Communications）
生物大分子（如蛋白質和 RNA）的相分離可驅動各種生物現象，這點已被人們所熟知。不過，小分子藥物是否有可能通過相分離發揮作用？
這個理論要從麻省理工學院理察·楊（Richard Young）教授課題組2020 年的一項研究說起[2]。他們觀察到，順鉑及他莫席芬這兩種經典藥物在體外能和特定蛋白形成明顯的凝聚體，因此推測，除了已知的機制以外，這些藥物的生物效應也許與相分離現象相關。因此，這項研究從發表以來，就引起了一些爭議。
首先，順鉑及他莫席芬的水溶性都很低，所以無論是在體內或體外結合到疏水的凝聚體都不足為奇，但這不意味溶解的藥物也有這種特性；其次，在體（in vivo）實驗部分，上述論文只提供了固定後的細胞內的凝聚物的證據，而在這些數據中，藥物和互作蛋白的共定位沒有體外實驗明顯，因此發表後一直缺乏後續驗證。所以，排除因藥物水溶性不佳造成的人為現象（artifact），以及在活細胞中鑑定凝聚體的形成及物理特性，便成了確認此假說的重要關鍵。
該論文通訊作者、上海科技大學的林照博研究員在讀博期間，以研究抗癌藥物為主要研究方向。雖然目前實驗室主要研究方向是幹細胞與類器官，仍然對相分離現象很感興趣。
實際上，本次研究的相分離現象源於一次在探索 DNA 損傷過程中的「意外發現」。研究人員原本想使用螢光探針探測細胞內 p53 形成的凝聚體，卻意外發現所見的凝聚體並非 p53，而是當時用於引起 DNA 損傷的阿黴素的自發螢光，而此螢光又與 DNA 共定位。
這個發現將研究導向了一個完全不同的方向。基於這個意外發現，他們通過超高解析度顯微鏡，對能引起局部染色質「可視性」構相變化的藥物，進行了小規模篩選。
林照博研究員解釋說道：「在細胞內追蹤藥物非常不容易，如果沒有連接上發色基團基本上看不到，但是否能連上發色基團要看分子式及合成工藝，也可能會因此改變藥物的特性。」他認為，由於阿黴素的蒽環本身就能被激發發光，因此他們非常幸運，不需改變它的化學式就可以觀測它在細胞內的分布。
事實上，雖然阿黴素現在仍是許多腫瘤的一線治療藥物，但由於其副作用（主要是心臟毒性）及其橘色的注射液外觀，也被稱為」紅色魔鬼」。這個自發螢光的特性當時造成研究人員的誤認，很不幸地「殺死」了他們的一個課題。「但也開啟了另一扇窗，因為我們第一次看到了這個高度水溶性的藥物能在細胞內形成凝聚體。」他說。
圖丨阿黴素誘導腫瘤和原代細胞染色質凝結（來源：Nature Communications）
這個意外的發現使研究人員進一步思考，阿黴素形成的凝聚體中還有哪些成分？研究人員首先排除了很多核內已報導過的相分離凝聚體，如轉錄復合體、DNA 修復機器、Speckle 等。其次，更重要的是要確認這個凝聚體是否由間接效應引起？如阿黴素引起的細胞凋亡或鐵死亡。
在排除這些因素，並探索阿黴素在活細胞形成過程和對其中成分確認後，他們發現阿黴素形成的凝聚體與染色質強共定位。因此，阿黴素更可能是直接通過與染色質結合，而引起這種凝聚現象。
「此外，這個染色質凝聚的現象是可逆的，這排除了很多間接因素，如程序性死亡的參與。」林照博說道。在此之後，該課題組一方面通過組學研究，確認了阿黴素可以引起染色質開放區域以及三維互作的減弱; 另一方面，體外實驗表明，阿黴素可以與組蛋白 H1 結合併形成絲絮狀凝聚體，為觀察到的相變現象提供了機制上的解釋。不同於常見的液-液相分離的圓形液滴，這個比較少見的絲絮狀凝聚體顯示阿黴素引起的相變，更傾向於膠體化或固體化。
該課題組將阿黴素與原代肝臟及心肌細胞對比，他們觀察到，前者更多地在心肌細胞核內累積，並引起 DNA 的局部凝聚。由該現象可推測，因染色質凝聚而引發的基因表達不同，或許源自阿黴素的療效/心臟毒性。
據介紹，該研究有兩個後續的方向。首先，假設這個相分離的特性真的與心臟毒性的副作用相關，可以通過修改阿黴素的分子式，減弱它和組蛋白 H1 的互作，把這個特性與阿黴素髮揮療效的機制分開，製造出更安全的藥物；其次，這暗示或許其他小分子也可能利用類似的方式（與蛋白質的無序區結合）發揮作用。「因此，可以把凝聚體的形成作為一個高通量篩選的指標，尋找更多可能通過引起生物大分子相變的藥物。」林照博表示。
圖丨林照博（來源：林照博）
林照博本科畢業於台灣大學，分別在陽明大學和美國羅格斯大學獲得碩士和博士學位。隨後，他在美國加州大學伯克利分校進行了博士後研究。2017 年，加入上海科技大學生命科學與技術學院，並成立細胞可塑性課題組，其主要研究方向是幹細胞與類器官。近期的研究以類器官作為工具，研究了小鼠滋養層細胞的發育以及妊娠疾病的發生機制。
接下來，研究團隊將繼續追溯該問題，希望通過分子動力學真正地模擬蛋白與藥物之間的互作機制。然而，目前在計算生物學領域，在該方向還存在較大的空白，特別是對無序區的模擬。在這種情況下，不僅需要模擬蛋白質無序區和水分子，還要考慮小分子和兩者間的互作，使得模擬和計算非常複雜。「我們希望未來能夠克服計算生物模擬等問題，進一步提高競爭力。」林照博最後說道。
參考資料：
1.Wang, T., Shi, S., Shi, Y. et al. Chemical-induced phase transition and global conformational reorganization of chromatin. Nature Communications 14, 5556 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41340-4
2.Isaac A. Klein et al. Partitioning of cancer therapeutics in nuclear condensates. Science 368,6497 (2020). https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz4427