Histone Lysine Methyltransferases in Human and Yeast Structure-based Drug-design and Epigenetic Studies : Implications for Novel Therapies : 인간과 분열 효모의 히스톤 메틸기 전이 효소의 구조기반 약개발과 후생유전적 접근: 신 치료법 개발에의 적용 방법원문보기
유동적이고 역동적인 염색질 조절은 DNA와 히스톤에 작용하는 writer, reader, eraser의 상호 작용에 의해 조절된다. 히스톤 번역 후 변형은 번역을 조절하는 복잡한 네트워크중 하나인 ’히스톤 코드’ 라는 언어로 정의된다. 세포의 항상 상태는 누적된 비정상적 후생 변화 패턴에 영향을 받고, 이는 고혈압,암, 신경 질환의 발병이라는 결과로 이어진다. ‘히스톤코드’는 유전자 발현에 영향을 줄 뿐 아니라, 여러 세대에 걸쳐 자손에게 유전된다. 비 정상적인 히스톤 ...
유동적이고 역동적인 염색질 조절은 DNA와 히스톤에 작용하는 writer, reader, eraser의 상호 작용에 의해 조절된다. 히스톤 번역 후 변형은 번역을 조절하는 복잡한 네트워크중 하나인 ’히스톤 코드’ 라는 언어로 정의된다. 세포의 항상 상태는 누적된 비정상적 후생 변화 패턴에 영향을 받고, 이는 고혈압,암, 신경 질환의 발병이라는 결과로 이어진다. ‘히스톤코드’는 유전자 발현에 영향을 줄 뿐 아니라, 여러 세대에 걸쳐 자손에게 유전된다. 비 정상적인 히스톤 메틸화는 염색질 구조에 영향을 주고 세포 변화나, 종양 진행 또는 다른 병의 진행 증가에 영향을 준다. 이러한 영향에 비해, 히스톤 메틸화 효소 메커니즘은 자세히 알려지지 않았다.
NSD단백질은 NSD1, NSD2와 NSD3로 이루어져있다. NSD의 돌연변이, 과발현은 발병과정이나 발암과정의 전 영역에 걸쳐 관련되어 있으므로, NSD 소분자 저해제는 관련 환자에게 치료 기회를 제공할 것이다. 지금까지 소수의 히스톤 메틸화 효소 저해제가 개발되었고, 그 중 일부는 임상 과정 중에 있다. 하지만, NSD1/2/3를 타겟으로 하는 저해제는 거의 없다. 생물학적으로 활성을 보이는 새로운 항암제 개발을 위해서는 NSD의 구조 및 작용 메커니즘의 더 깊은 이해가 필요하다.
고등 진핵생물체와 효모 사이의 유사도가 높기 때문에, 분열 효모 (Shizosaccharomyces pombe)는 염색질 구조와 재구조화 메커니즘 연구에 있어 최적의 모델 생물체이다. 분열 효모는 13개의 SET 도메인 함유 단백질을 가지고 있다. 효소 활성을 가지는 SET 도메인은 모든 진핵생물에 보존되어 있다. 하지만, 분열 효모의 메틸화 효소의 전체 구조는 아직 베일에 싸여있다.
효능이 좋은 NSD 단백질의 저해제를 개발하기 위해, virtual ligand screening으로 후보 물질 LEM-14을 선발하여, NSD-SET 단백질에 Docking 연구를 진행하였고, 이를 바탕으로 LEM-14-1189 유도체를 만들었다. 효능이 더 좋고 선택적인 저해제를 만들기 위해서, 분자 수준에서 NSD 촉매 도메인과 기질간의 결합 연구가 요구된다. 이 연구에서, 다양한 NSD 단백질에 대한 X-선 회절분석을 통한 구조결정과 SAXS 연구를 진행하였고, 단백질 결정화를 위한 조건을 찾는 데 부분적으로 성공하였다.
분열 효모 SET 포함 단백질의 구조 기능 연구를 수행하여분열 효모의 Set7 단백질을 구조와 기능 특징을 확립하였다. Set7은 재조합, 단백질 발현, 정제 과정을 통해 제조하였고, 히스톤 기질 특이성을 in vitro와 in vivo에서 확인하였다. 다음으로, Set7의 3D 구조를 2.0Å수준에서 밝혔고, Set7 이합체를 in vitro와 in vivo에서 분석하였다. 더 나아가, Set7이 분열 효모의 배우자 형성에서 중요한 H3K37 메틸화를 주도한다는 것을 확인 하였다.
유동적이고 역동적인 염색질 조절은 DNA와 히스톤에 작용하는 writer, reader, eraser의 상호 작용에 의해 조절된다. 히스톤 번역 후 변형은 번역을 조절하는 복잡한 네트워크중 하나인 ’히스톤 코드’ 라는 언어로 정의된다. 세포의 항상 상태는 누적된 비정상적 후생 변화 패턴에 영향을 받고, 이는 고혈압,암, 신경 질환의 발병이라는 결과로 이어진다. ‘히스톤코드’는 유전자 발현에 영향을 줄 뿐 아니라, 여러 세대에 걸쳐 자손에게 유전된다. 비 정상적인 히스톤 메틸화는 염색질 구조에 영향을 주고 세포 변화나, 종양 진행 또는 다른 병의 진행 증가에 영향을 준다. 이러한 영향에 비해, 히스톤 메틸화 효소 메커니즘은 자세히 알려지지 않았다.
NSD단백질은 NSD1, NSD2와 NSD3로 이루어져있다. NSD의 돌연변이, 과발현은 발병과정이나 발암과정의 전 영역에 걸쳐 관련되어 있으므로, NSD 소분자 저해제는 관련 환자에게 치료 기회를 제공할 것이다. 지금까지 소수의 히스톤 메틸화 효소 저해제가 개발되었고, 그 중 일부는 임상 과정 중에 있다. 하지만, NSD1/2/3를 타겟으로 하는 저해제는 거의 없다. 생물학적으로 활성을 보이는 새로운 항암제 개발을 위해서는 NSD의 구조 및 작용 메커니즘의 더 깊은 이해가 필요하다.
고등 진핵생물체와 효모 사이의 유사도가 높기 때문에, 분열 효모 (Shizosaccharomyces pombe)는 염색질 구조와 재구조화 메커니즘 연구에 있어 최적의 모델 생물체이다. 분열 효모는 13개의 SET 도메인 함유 단백질을 가지고 있다. 효소 활성을 가지는 SET 도메인은 모든 진핵생물에 보존되어 있다. 하지만, 분열 효모의 메틸화 효소의 전체 구조는 아직 베일에 싸여있다.
효능이 좋은 NSD 단백질의 저해제를 개발하기 위해, virtual ligand screening으로 후보 물질 LEM-14을 선발하여, NSD-SET 단백질에 Docking 연구를 진행하였고, 이를 바탕으로 LEM-14-1189 유도체를 만들었다. 효능이 더 좋고 선택적인 저해제를 만들기 위해서, 분자 수준에서 NSD 촉매 도메인과 기질간의 결합 연구가 요구된다. 이 연구에서, 다양한 NSD 단백질에 대한 X-선 회절분석을 통한 구조결정과 SAXS 연구를 진행하였고, 단백질 결정화를 위한 조건을 찾는 데 부분적으로 성공하였다.
분열 효모 SET 포함 단백질의 구조 기능 연구를 수행하여분열 효모의 Set7 단백질을 구조와 기능 특징을 확립하였다. Set7은 재조합, 단백질 발현, 정제 과정을 통해 제조하였고, 히스톤 기질 특이성을 in vitro와 in vivo에서 확인하였다. 다음으로, Set7의 3D 구조를 2.0Å수준에서 밝혔고, Set7 이합체를 in vitro와 in vivo에서 분석하였다. 더 나아가, Set7이 분열 효모의 배우자 형성에서 중요한 H3K37 메틸화를 주도한다는 것을 확인 하였다.
Dynamics and plasticity of chromatin regulation are mediated by a precise ballet between writers, readers, and erasers of epigenetic marks on both the DNA and histones. Histone post-transcriptional modifications define the “histone code” language, which remains poorly known and is part of intricate ...
Dynamics and plasticity of chromatin regulation are mediated by a precise ballet between writers, readers, and erasers of epigenetic marks on both the DNA and histones. Histone post-transcriptional modifications define the “histone code” language, which remains poorly known and is part of intricate networks that ultimately regulate transcriptional events. Cellular homeostasis is negatively impacted by aberrant accumulations of epigenetic modification patterns, which results in the onset and progression of pathologies ranging from hypertension to carcinoma and neurological syndromes. Furthermore, an epigenetic memory defined by a pattern of epigenetic modifications could be inherited and influence gene expression profiles in the offspring and shown to last up to several generations. Dysfunction of histone methylation disturbs chromatin dynamics and is implicated in an increasing number of pathologies including cellular transformation, tumor progression, and other diseases. However, histone methyltransferase (HMTase) pathways remain to be further explored and better understood. The nuclear receptor binding SET domain (NSD) family is composed of NSD1, NSD2, and NSD3. Mutation, alteration, or overexpression of the NSDs is strongly involved in a broad spectrum of human pathologies and carcinogenesis. Therefore, NSDs inhibition via small compounds could provide therapeutic opportunities with relevant patients. To date, only a few HMTase inhibitors exist, some of which have been used for clinical trials. However, few inhibitors specifically targeted on the NSD1/2/3 have been identified. A deeper comprehension of the structural function mechanism of NSDs is necessary for the design of specific, potent and biologically active drugs useful for novel cancer therapies. Due to the high similarity between higher eukaryotes and yeast, fission yeast (Schizosaccharomyces pombe) is an optimal model organism to explore intrinsic mechanisms of chromatin dynamics and reconstitution. S.pombe has 13 SET domain-containing proteins (Set1~13) with several of them methylate histones or ribosomes. The catalytic SET domain is highly conserved among all eukaryotes (e.g. Set2, a homolog of the oncoprotein NSD2/MMSET/WHSC1 in human). However, full-length structures of fission yeast methyltransferases are still scarce. In an attempt to design potent inhibitors for the NSD family, we performed virtual ligand screenings and identified the hit molecule LEM-14 and further optimized LEM-14-1189 against NSDs-SET with a promising IC50 based on the rigid and flexible docking study. In order to design potent and specific inhibitors, the molecular binding details between the NSD catalytic domain and substrates are required. We focused on X-ray crystallography and SAXS study of various NSD constructs, which resulted in the discovery of several “hit” conditions that protein crystals can grow and yielded the weak diffraction. To better understand histone methylations and translate to drug-design, we performed the structure-function study on yeast SET-containing proteins. Based on the effort, we identified and structurally characterized a novel H3K37 histone methyltransferase Set7 (SPCC297.04c), in S. Pombe. Set7 was cloned, expressed, purified and its histone substrate specificity assessed in vitro and in vivo. Next, we resolved the 3D-structure of Set7 at 2.0 Å and analyzed the Set7 dimerization in vitro and in vivo. Moreover, we identified that Set7 and H3K37 methylation are important for gametogenesis in fission
Dynamics and plasticity of chromatin regulation are mediated by a precise ballet between writers, readers, and erasers of epigenetic marks on both the DNA and histones. Histone post-transcriptional modifications define the “histone code” language, which remains poorly known and is part of intricate networks that ultimately regulate transcriptional events. Cellular homeostasis is negatively impacted by aberrant accumulations of epigenetic modification patterns, which results in the onset and progression of pathologies ranging from hypertension to carcinoma and neurological syndromes. Furthermore, an epigenetic memory defined by a pattern of epigenetic modifications could be inherited and influence gene expression profiles in the offspring and shown to last up to several generations. Dysfunction of histone methylation disturbs chromatin dynamics and is implicated in an increasing number of pathologies including cellular transformation, tumor progression, and other diseases. However, histone methyltransferase (HMTase) pathways remain to be further explored and better understood. The nuclear receptor binding SET domain (NSD) family is composed of NSD1, NSD2, and NSD3. Mutation, alteration, or overexpression of the NSDs is strongly involved in a broad spectrum of human pathologies and carcinogenesis. Therefore, NSDs inhibition via small compounds could provide therapeutic opportunities with relevant patients. To date, only a few HMTase inhibitors exist, some of which have been used for clinical trials. However, few inhibitors specifically targeted on the NSD1/2/3 have been identified. A deeper comprehension of the structural function mechanism of NSDs is necessary for the design of specific, potent and biologically active drugs useful for novel cancer therapies. Due to the high similarity between higher eukaryotes and yeast, fission yeast (Schizosaccharomyces pombe) is an optimal model organism to explore intrinsic mechanisms of chromatin dynamics and reconstitution. S.pombe has 13 SET domain-containing proteins (Set1~13) with several of them methylate histones or ribosomes. The catalytic SET domain is highly conserved among all eukaryotes (e.g. Set2, a homolog of the oncoprotein NSD2/MMSET/WHSC1 in human). However, full-length structures of fission yeast methyltransferases are still scarce. In an attempt to design potent inhibitors for the NSD family, we performed virtual ligand screenings and identified the hit molecule LEM-14 and further optimized LEM-14-1189 against NSDs-SET with a promising IC50 based on the rigid and flexible docking study. In order to design potent and specific inhibitors, the molecular binding details between the NSD catalytic domain and substrates are required. We focused on X-ray crystallography and SAXS study of various NSD constructs, which resulted in the discovery of several “hit” conditions that protein crystals can grow and yielded the weak diffraction. To better understand histone methylations and translate to drug-design, we performed the structure-function study on yeast SET-containing proteins. Based on the effort, we identified and structurally characterized a novel H3K37 histone methyltransferase Set7 (SPCC297.04c), in S. Pombe. Set7 was cloned, expressed, purified and its histone substrate specificity assessed in vitro and in vivo. Next, we resolved the 3D-structure of Set7 at 2.0 Å and analyzed the Set7 dimerization in vitro and in vivo. Moreover, we identified that Set7 and H3K37 methylation are important for gametogenesis in fission
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