学术研究报告：UM171通过不对称CRL3–HDAC1/2复合体降解COREST共抑制因子的分子机制

一、研究团队与发表信息

本研究由哈佛大学化学与化学生物学系的Megan J. R. Yeo、Olivia Zhang等领衔，联合华盛顿大学药理学系、麻省理工学院与哈佛大学Broad研究所等14家机构共同完成，于2025年3月6日发表于Nature期刊（Volume 639）。

二、学术背景与研究目标

科学领域：本研究属于靶向蛋白降解（Targeted Protein Degradation, TPD）领域，聚焦小分子胶水降解剂（molecular glue degrader）的作用机制。
研究背景：
- UM171是一种已知的造血干细胞（Hematopoietic Stem Cell, HSC）自我更新激动剂，但其直接作用靶点与分子机制尚不明确。
- 此前研究发现UM171通过劫持E3泛素连接酶CRL3的底物受体KBTBD4，降解LSD1–COREST共抑制复合体（LHC复合体），从而减少HSC损耗，但其分子细节未阐明。
研究目标：解析UM171的直接靶点、诱导蛋白质降解的分子机制，并揭示CRL3家族E3连接酶被小分子胶水重编程的潜力。

三、研究流程与方法

1. UM171依赖HDAC1/2降解COREST的发现

• 实验设计：
  
  • 细胞模型：使用UM171敏感的SET-2和MV4;11细胞，通过全局蛋白质组学（proteomics）分析UM171处理后的蛋白变化。
    
  • 关键发现：COREST（由RCOR1编码）和LSD1是UM171处理后降解最显著的蛋白；HDAC1/2的降解较轻微，但泛素化修饰显著。
    
  • 验证实验：通过荧光报告系统（GFP-mCherry）证实COREST的降解依赖其ELM2-SANT结构域与HDAC1/2的相互作用（突变实验显示Trp→Ala突变体降解受阻）。
    

2. HDAC1/2介导LHC–KBTBD4复合体形成

• 基因编辑验证：
  
  • 在K562细胞中敲除HDAC1或HDAC2可部分抑制COREST降解，而双敲除（通过dTAG系统诱导）完全阻断UM171的作用。
    
  • 共免疫沉淀（Co-IP）：UM171促进KBTBD4与HDAC1/2的结合，且HDAC活性抑制剂（如SAHA）能阻断此相互作用。
    

3. 冷冻电镜解析KBTBD4–UM171–LHC复合体结构

• 复合体组装：在肌醇六磷酸（Insp6）存在下，纯化KBTBD4–LHC–UM171复合体，通过冷冻电镜（cryo-EM）解析其3.77 Å分辨率结构。
  
• 关键结构特征：
  
  • 不对称结合：KBTBD4二聚体的两个单体（KBTBD4-A和KBTBD4-B）以不同方式结合HDAC1，UM171分子仅与KBTBD4-B结合。
    
  • 双胶水机制：UM171填充KBTBD4-B与HDAC1活性位点间的间隙，而Insp6作为第二胶水稳定复合体。
    

4. 碱基编辑扫描验证功能界面

• 碱基编辑（base editor scanning）：
  
  • 在K562细胞中系统性突变HDAC1和KBTBD4，筛选影响COREST降解的位点。
    
  • 结果：HDAC1的活性位点附近突变（如SGD99、SGY204）显著阻断降解；KBTBD4的kelch结构域突变（如I310A、D333N）破坏UM171结合。
    

四、主要研究结果

1. UM171的直接靶点为HDAC1/2：通过蛋白质组学与化学抑制剂实验证实UM171通过HDAC1/2招募KBTBD4，而非直接结合LSD1或COREST。
   
2. 双胶水协同作用：UM171和Insp6共同稳定KBTBD4–HDAC1–COREST四元复合体，其中UM171占据HDAC1活性位点，但不直接结合锌离子。
   
3. 结构机制创新：冷冻电镜揭示KBTBD4二聚体通过不对称构象利用协同性结合HDAC1，拓展了分子胶水的作用范式。
   
4. 功能性验证：碱基编辑证明HDAC1和KBTBD4的界面残基对降解至关重要，支持结构模型的生物学相关性。
   

五、研究结论与意义

科学价值：
- 机制创新：首次阐明小分子胶水如何利用CRL3二聚体的不对称性诱导靶蛋白降解，为设计新型降解剂提供模板。
- 靶向HDAC1/2的新策略：UM171不仅抑制HDAC1/2活性，还选择性降解其复合物成员（如COREST），拓展了表观遗传调控工具。
- 双胶水范式：Insp6作为内源性胶水的发现，提示复合体稳定性可通过多小分子协同调控。

应用潜力：
- 血液疾病治疗：UM171已进入临床试验，本研究为其优化提供分子基础。
- E3连接酶拓展：证明CRL3家族可被胶水降解剂重编程，为靶向其他难成药蛋白提供新思路。

六、研究亮点

1. 高分辨率结构解析：首次可视化CRL3–底物–胶水三元复合体的动态结合模式。
   
2. 多学科方法整合：结合冷冻电镜、碱基编辑扫描、化学蛋白质组学等技术，系统性验证机制。
   
3. 双胶水机制：揭示Insp6的内源性胶水功能，挑战传统单胶水降解剂的认知。
   

七、其他重要发现

• HDAC1/2的功能冗余：即使单敲除HDAC1或HDAC2，细胞仍能通过另一旁系同源物介导UM171作用，提示靶向两者共抑制更有效。
  
• E3二聚体的优势：CRL3的二聚化特性使其能通过单胶水分子协同结合底物，为理性设计胶水降解剂提供新方向。