眾所周知，腫瘤藥物脫靶是一件涉及到很多因素，非常複雜的事情，但其中最重要的一點，就是體內環境和體外環境不同，當我們在體外進行檢測時，分析物或者被測量的狀態已經發生了改變，在這種情況下，就算在體外檢測的結果準確，也並不能代表真實的狀態。
所以，體內診斷也許是一種解決方案。劍橋大學的一個研究小組開發了一種新方法，能夠對與細胞基因組DNA或染色質（Chromatin）相關蛋白結合的小分子進行原位繪圖。
該研究[1]於今年1月份發表在《Nature Biotechnology》中，文章描述了這種被稱為Chem-map的方法，它為科學家提供了一種新的工具，可以直接檢測小分子藥物與染色質結合的位置，為他們進一步審視基因組和染色質功能以及設計治療目標打開了一扇窗。
劍橋大學生物化學教授、該研究的通訊作者Shankar Balasubramanian說：「要證明分子確實與細胞染色質中的結構接觸，總是非常具有挑戰性。"我們在很長一段時間裡一直在努力尋找這樣的方法。這並不是一個容易破解的問題。」
據Balasubramanian說，這項研究背後的動機之一是，幾十年來，研究人員一直試圖研究G-四聯體（G4s）的生物功能，這是一種非經典的二級核酸結構，富含鳥嘌呤的DNA序列摺疊成四聯體。
Balasubramanian說，雖然G4s的確切作用仍需確定，但科學界普遍認為這些結構與基因調節、細胞命運轉換和癌症有關，「真正有趣的是，[G4s]發生在基因結構中涉及調控區域的部分。」
然而，研究人員一直缺乏一種有效的方法來直接研究這些結構和與它們結合的分子，以前基於富集的方法試圖通過體外的生物物理實驗檢測DNA結合，但通常不能闡明細胞染色質背景下的分子結合事件。
Balasubramanian說：「我們過去曾嘗試過這樣的方法，但就是無法檢測到G-四聯體結合分子相互作用的地方，以前的方法的一個主要缺點是它們通常採用非共價相互作用，在DNA加工過程中可能會分崩離析，失去原位結合部位的信息。」
為了克服這一障礙，Balasubramanian和他的團隊開發了Chem-map，它依靠小分子來最終招募轉座酶，轉座酶可以在小分子結合位點的近端插入索引測序適配器。
從機制上講，Chem-map將一個共價親和標籤引入感興趣的小分子，其方式不會干擾其主要的互動。
「這種相互作用不一定是永久性的。」，Balasubramanian解釋說，「它只是必須有足夠長的時間來讓這種酶在結合點附近執行其催化功能。」
之後，標籤將一個轉座酶（Tn5）招募到結合位點，通過近端轉座事件標記該位點。隨後，標記小分子結合位點的標籤化DNA被提取、選擇性擴增、測序，並通過將測序讀數與基因組進行比對來繪製地圖。
在他們的研究中，劍橋大學的研究人員用三種不同的小分子結合方式展示了Chem-map，其中包括BET溴域蛋白結合抑制劑JQ1、DNA G-四聯體結構結合分子PDS和PhenDC3，以及人類白血病細胞中的抗癌藥物多柔比星。
總的來說，研究人員指出，Chem-map可以成為繪製小分子與細胞中的基因組DNA和染色質蛋白相互作用的「一種強有力的方法」。
Balasubramanian說：「我們第一次設法可靠地檢測出四聯體結合分子所處的位置，該方法還能夠在結合事件中撿到瞬時的相互作用。」
此外，Chem-map揭示了多柔比星的染色質結合情況，這是一種臨床批准的癌症藥物，據稱通過靶向DNA發揮作用，但尚未直接映射到體內的基因組DNA。
他說：「據我所知，這是第一個顯示它在哪裡結合的研究。在治療方面，你對藥物的作用，以及它沒有的作用，掌握的信息越多越好。否則，你就得面對一個黑盒子。」
倫敦大學學院的化學教授Michael Booth說，這種方法「真的很優雅」，他沒有參與這項研究，「你現在看著它，你會想：為什麼以前沒有人這麼做？」
Booth說，通過結合不同的技術來實現全新的功能，Chem-map為研究人員提供了一個創新的工具來直接檢查小分子的染色質結合事件，這是「一個非常未開發的領域，似乎它在很久以前就應該被探索了」。
「有很多針對基因組的小分子，或與基因組互動的蛋白質。它們在哪裡結合？它們如何反應？」，他補充說，「所有這些東西對於理解生物學和醫學是完全必要的，[以及]人們已經使用了多年的藥物和工具，但並不真正知道它們是如何工作的。」
Booth說，在其他實驗室複製Chem-map的潛在挑戰之一是設計附有標籤的分子，這些標籤不會影響其正常活動。然而，除了分子設計，他認為該方法使用了相當標準的測序方法，它「可以很容易地在任何地方實施」。也就是說，由於Chem-map是基於測序的，它仍然可能是相對昂貴的。
通過劍橋大學研究人員的概念證明，Booth說Chem-map的一個未來方向是設計一個更大的小分子組合。他說：「如果你產生了一套更大的具有這些標籤的分子，你可以開始真正嘗試和了解你可以用這種方法的所有數據來識別的局限性和驚人的東西。」
Balasubramanian說，Chem-map在基礎研究和轉化研究中都很有用，可以幫助分析藥物與體內染色質的結合。與Booth的觀點相呼應，他還認為分子設計是未來實施的一個重要組成部分。
他指出：「根據你的分子和你的目標，有必要優化分子設計。」為此，Balasubramanian指出，根據目標的複雜性，Chem-map的成本可能會受到分子合成過程的影響。除此之外，他說該方法應該「與其他基因組實驗沒有區別」。
Balasubramanian說他的團隊將繼續改進Chem-map並發布該協議的其他版本。此外，他說有潛在的機會將該技術商業化，用於染色質靶向藥物開發。
「我認為它有很大的潛力。」，他說，「在這個階段，我可以說的是我們的大學看了[Chem-map的]能力，說服他們相信[該方法的]潛力並不難，特別是在藥物開發和治療方法的途徑上。」
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參考文獻
- Yu, Z., Spiegel, J., Melidis, L. et al. Chem-map profiles drug binding to chromatin in cells. Nat Biotechnol (2023). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01636-0
原文連結（英文）
https://www.genomeweb.com/sequencing/new-method-enables-direct-profiling-drug-chromatin-binding-cells#.ZAE_pnZBwfk
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