案例文章
核受体结合SET结构域 (Nuclear receptor binding SET domain，NSD) 蛋白是一类组蛋白赖氨酸甲基转移酶，包括NSD1、NSD2（WHSC1）和NSD3（WHSC1L1）三个成员，负责催化组蛋白H3的第36位赖氨酸（H3K36）的甲基化修饰。H3K36甲基化在基因转录调控、DNA修复和染色质稳定性中起重要作用，因此，NSDs在多种癌症的发生与发展中扮演着关键角色。作为理想抗癌药物靶点之一，NSDs相关抑制剂的研究在近些年来备受关注，并取得了快速发展。
本文通过计算与实验相结合的方式，报告了小分子NSD抑制剂化合物2和化合物3的发现，这些化合物能够以微摩尔浓度的体外活性结合NSD-SET结构域。它们能够有效地在H460和H1299非小细胞肺癌细胞中以亚微摩尔浓度降低H3K36me2的细胞水平。此外，该化合物处理后可以诱导S期停滞，导致凋亡细胞群增加，并抑制细胞增殖。该研究能够为未来NSD抑制剂的设计提供有力的参考。
研究人员采用基于结构的虚拟筛选策略，对ChemDiv化合物库进行大规模筛选，以寻找能够靶向NSD3的小分子化合物。具体流程如下：
受体结构准备：从PDB数据库中下载人源NSD3与SAM结合的晶体结构（PDB ID：5UPD），并进行一系列预处理操作，如去除水分子、添加氢原子和电荷、补全残基等，确保受体结构的合理性和准确性。
小分子化合物库准备：对从ChemDiv化合物库（www.chemdiv.com）中获得的160万个小分子，使用LigPrep 5.0进行制备，生成所有的立体异构体和不同的质子化状态。
对接设置：采用初始HTVS对接和后续SP对接两种层次策略，以平衡对接精度和计算时间，并设置SAM所在的区域为结合位点进行对接，根据对接打分（gscore）排序保留前30,000个对接结果。
过滤过程：计算3万个pose与SAM的三维形状相似度，选取相似度评分大于0.5的小分子，共计694个；同时，利用位姿过滤器寻找与关键残基His1224或His1274（与SAM形成氢键）至少形成一个氢键的分子，共计14个。结合以上两个结果，进行基于化学结构的聚类分析以及视觉观察，最终得到66种结构多样的化合物。
实验验证：对最终筛选出来的66种化合物进行生物实验验证，以确认其活性。
对虚拟筛选得到的66个化合物进行实验验证，基于酶和细胞的实验表明，化合物C6（Chemdiv ID Number: 6502-0187）对NSD3具有较好的抑制作用，并且具有适当的溶解度。随后对C6进行2D相似性搜索和Tanimoto评分，寻找相似化合物并进行活性测试。最终发现。其中3个化合物对NSD3具有抑制活性，IC50在13.83-32.18 μM之间。
由于这些活性化合物具有相同的支架结构，研究人员随即对其进行结构优化以提高效力。进行一系列构效关系研究后，发现新设计的化合物2和化合物3对NSD2和NSD3 均具有相对良好的活性，故选择其进行后续研究。
在基于细胞的测定中，化合物2和3有效抑制NSD的酶活性。图A使用 GEO 数据库中的GSE18842和GSE40275分析NSCLC组织中NSD2（左图）和 NSD3（右图）的表达。结果显示，与正常组织相比，NSCLC 组织中 NSD2 和 NSD3 均上调。图B显示了八种 NSCLC 细胞系中NSD2、NSD3的表达和二甲基化H3K36的水平，其中H3和β-action作为对照。结果发现NSD2和NSD3在大多数测试的NSCLC细胞系中均高表达。
此外，研究人员还进行了克隆形成实验进一步探讨这些化合物对癌细胞增殖的影响。结果表明化合物2和3可以有效抑制细胞增殖，减少克隆形成，诱导S期细胞周期阻滞和凋亡。同时还证实化合物3的治疗将有效降低EGFR表达。这些研究结果日后研究NSD抑制剂的抗肿瘤机制和潜在临床应用奠定了基础。
研究人员通过分子对接技术成功预测了化合物3与NSD3的复合物结构。从图A和B可以看出，化合物3稳定地结合在NSD3的空腔内，且化合物3上的嘌呤环与NSD3天然配体SAM的嘌呤环很好地重叠在一起。图C展示了化合物3与NSD3之间的相互作用，其中，化合物3的嘌呤环分别与残基His1224和His1274形成了氢键作用，苯酚环与残基Phe1199形成了π-π堆积作用。此外，化合物3还与残基Leu1284、Arg1584之间存在π-Alkyl相互作用。这些相互作用有利于维持化合物3与NSD3的稳定结合，增强两者之间的亲和性，从而提高了其与NSD3蛋白的结合能力。
总结而言，该研究通过基于结构的虚拟筛选与实验相结合的方法，成功发现了针对NSDs的强效小分子抑制剂，这些抑制剂在体内和体外均表现出显著的生物活性，为NSDs在癌症中的生物学作用研究提供了有价值的工具。该研究成果已发表于学术期刊《European Journal of Medicinal Chemistry》。
Piao L, Gao Y, Xu X, et al. Discovery of potent small molecule inhibitors of histone lysine methyltransferase NSDs[J]. European Journal of Medicinal Chemistry, 2024, 268: 116264.