近期，上海科技大学与上海交通大学团队合作，证明了一种药物通过相变引起染色质构相变化的新机制。他们发现，抗肿瘤药物阿霉素（adriamycin，或称 doxorubicin）可特异性地诱导癌症和原代细胞中染色质的局部凝聚以及整体构象变化。在机制上，阿霉素与组蛋白 H1 结合并诱导 H1 的相变，形成相分离凝聚物。
这些结果显示，化学药物能驱动生物大分子的相变，可能通过相变引起生物效应，与诸如靶向药物、酶抑制剂或 DNA 损伤试剂等传统作用机制不同。该研究为药物小分子利用相分离机制起作用奠定了理论和现实基础，并为新药开发提供了新的思路。
图丨相关论文（来源：Nature Communications）
近日，相关论文以《染色质的化学诱导相变和整体构象重组》（Chemical-induced phase transition and global conformational reorganization of chromatin）为题发布在 Nature Communications[1]。上海科技大学博士生王腾飞、史述香（现临港实验室）、上海交通大学助理研究员石元元、博士研究生姜佩佩、上海科技大学助理研究员胡甘露为论文共同第一作者，上海科技大学助理教授林照博、上海交通大学研究员卞迁为该论文共同通讯作者。
图丨阿霉素诱导的染色质重组模型（来源：Nature Communications）
生物大分子（如蛋白质和 RNA）的相分离可驱动各种生物现象，这点已被人们所熟知。不过，小分子药物是否有可能通过相分离发挥作用？
这个理论要从麻省理工学院理查德·杨（Richard Young）教授课题组2020 年的一项研究说起[2]。他们观察到，顺铂及他莫席芬这两种经典药物在体外能和特定蛋白形成明显的凝聚体，因此推测，除了已知的机制以外，这些药物的生物效应也许与相分离现象相关。因此，这项研究从发表以来，就引起了一些争议。
首先，顺铂及他莫席芬的水溶性都很低，所以无论是在体内或体外结合到疏水的凝聚体都不足为奇，但这不意味溶解的药物也有这种特性；其次，在体（in vivo）实验部分，上述论文只提供了固定后的细胞内的凝聚物的证据，而在这些数据中，药物和互作蛋白的共定位没有体外实验明显，因此发表后一直缺乏后续验证。所以，排除因药物水溶性不佳造成的人为现象（artifact），以及在活细胞中鉴定凝聚体的形成及物理特性，便成了确认此假说的重要关键。
该论文通讯作者、上海科技大学的林照博研究员在读博期间，以研究抗癌药物为主要研究方向。虽然目前实验室主要研究方向是干细胞与类器官，仍然对相分离现象很感兴趣。
实际上，本次研究的相分离现象源于一次在探索 DNA 损伤过程中的“意外发现”。研究人员原本想使用荧光探针探测细胞内 p53 形成的凝聚体，却意外发现所见的凝聚体并非 p53，而是当时用于引起 DNA 损伤的阿霉素的自发荧光，而此荧光又与 DNA 共定位。
这个发现将研究导向了一个完全不同的方向。基于这个意外发现，他们通过超高分辨率显微镜，对能引起局部染色质“可视性”构相变化的药物，进行了小规模筛选。
林照博研究员解释说道：“在细胞内追踪药物非常不容易，如果没有连接上发色基团基本上看不到，但是否能连上发色基团要看分子式及合成工艺，也可能会因此改变药物的特性。”他认为，由于阿霉素的蒽环本身就能被激发发光，因此他们非常幸运，不需改变它的化学式就可以观测它在细胞内的分布。
事实上，虽然阿霉素现在仍是许多肿瘤的一线治疗药物，但由于其副作用（主要是心脏毒性）及其橘色的注射液外观，也被称为”红色魔鬼”。这个自发荧光的特性当时造成研究人员的误认，很不幸地“杀死”了他们的一个课题。“但也开启了另一扇窗，因为我们第一次看到了这个高度水溶性的药物能在细胞内形成凝聚体。”他说。
图丨阿霉素诱导肿瘤和原代细胞染色质凝结（来源：Nature Communications）
这个意外的发现使研究人员进一步思考，阿霉素形成的凝聚体中还有哪些成分？研究人员首先排除了很多核内已报导过的相分离凝聚体，如转录复合体、DNA 修复机器、Speckle 等。其次，更重要的是要确认这个凝聚体是否由间接效应引起？如阿霉素引起的细胞凋亡或铁死亡。
在排除这些因素，并探索阿霉素在活细胞形成过程和对其中成分确认后，他们发现阿霉素形成的凝聚体与染色质强共定位。因此，阿霉素更可能是直接通过与染色质结合，而引起这种凝聚现象。
“此外，这个染色质凝聚的现象是可逆的，这排除了很多间接因素，如程序性死亡的参与。”林照博说道。在此之后，该课题组一方面通过组学研究，确认了阿霉素可以引起染色质开放区域以及三维互作的减弱; 另一方面，体外实验表明，阿霉素可以与组蛋白 H1 结合并形成丝絮状凝聚体，为观察到的相变现象提供了机制上的解释。不同于常见的液-液相分离的圆形液滴，这个比较少见的丝絮状凝聚体显示阿霉素引起的相变，更倾向于胶体化或固体化。
该课题组将阿霉素与原代肝脏及心肌细胞对比，他们观察到，前者更多地在心肌细胞核内累积，并引起 DNA 的局部凝聚。由该现象可推测，因染色质凝聚而引发的基因表达不同，或许源自阿霉素的疗效/心脏毒性。
据介绍，该研究有两个后续的方向。首先，假设这个相分离的特性真的与心脏毒性的副作用相关，可以通过修改阿霉素的分子式，减弱它和组蛋白 H1 的互作，把这个特性与阿霉素发挥疗效的机制分开，制造出更安全的药物；其次，这暗示或许其他小分子也可能利用类似的方式（与蛋白质的无序区结合）发挥作用。“因此，可以把凝聚体的形成作为一个高通量筛选的指标，寻找更多可能通过引起生物大分子相变的药物。”林照博表示。
图丨林照博（来源：林照博）
林照博本科毕业于台湾大学，分别在阳明大学和美国罗格斯大学获得硕士和博士学位。随后，他在美国加州大学伯克利分校进行了博士后研究。2017 年，加入上海科技大学生命科学与技术学院，并成立细胞可塑性课题组，其主要研究方向是干细胞与类器官。近期的研究以类器官作为工具，研究了小鼠滋养层细胞的发育以及妊娠疾病的发生机制。
接下来，研究团队将继续追溯该问题，希望通过分子动力学真正地模拟蛋白与药物之间的互作机制。然而，目前在计算生物学领域，在该方向还存在较大的空白，特别是对无序区的模拟。在这种情况下，不仅需要模拟蛋白质无序区和水分子，还要考虑小分子和两者间的互作，使得模拟和计算非常复杂。“我们希望未来能够克服计算生物模拟等问题，进一步提高竞争力。”林照博最后说道。
参考资料：
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