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一种利用异染色质促进药物筛选的鉴定方法 果蝇

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DOI：

10.3791/60917

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2020年3月12日

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1Department of Medicine, University of California San Diego

本文内容

摘要

Drosophila 是一种广泛使用的实验模型，适用于筛选具有癌症治疗潜力的药物。本文中，我们描述了利用 Drosophila 花斑眼色表型作为筛选促进异染色质形成的小分子化合物的方法。

摘要

黑腹果蝇（Drosophila）是一种优良的模式生物，可用于筛选可能对癌症治疗有用的化合物。本文所述方法是一种经济高效的体内筛选方法，利用黑腹果蝇鉴定促进异染色质形成的化合物。Drosophila的DX1品系具有花斑状眼色表型，该表型可反映异染色质形成的程度，从而为筛选促进异染色质形成的药物提供了工具。在此筛选方法中，通过量化眼内红色色素覆盖的表面积来评估眼色花斑程度，并以1至5的评分标准进行评分。该筛选方法简便且灵敏，可在体内检测化合物。利用此方法进行药物筛选，可快速、低成本地鉴定出可能在癌症治疗中具有积极作用的促进异染色质形成的药物。发现促进异染色质形成的化合物，还可能有助于揭示癌症发生发展的表观遗传机制。

引言

异染色质是DNA的一种高度凝缩形式，在基因表达调控、细胞分裂过程中染色体的分离以及维持基因组稳定性方面发挥着核心作用1。异染色质被认为是一种基因表达抑制的调控因子，并在细胞有丝分裂期间保护染色体完整性2,3。在细胞谱系决定过程中，异染色质与组蛋白H3第9位赖氨酸的二甲基化和三甲基化（H3K9me）密切相关4,5。此外，异染色质蛋白1（HP1）染色质结构域蛋白的招募也被认为与异染色质的形成及基因表达的表观遗传抑制相关6。这些蛋白质是异染色质形成所必需的关键组分和标志分子。

由于基因组不稳定性使细胞能够获得促进癌变的遗传改变，异染色质在癌症发展中的作用正日益受到重视，并可能成为癌症治疗的靶点7,8。目前尚无明确用于促进异染色质形成的药物。本文介绍一种简单、快速且高效的筛选促进异染色质形成的小分子化合物的方法。该筛选方法通过用小分子化合物文库处理Drosophila实现。该方法利用了DX1Drosophila品系中受异染色质水平影响的花斑眼色表型。DX1果蝇含有七个串联排列的P[lac-w]转基因，其表达具有随异染色质化程度而变化的花斑性，因此眼色花斑的程度可反映异染色质水平。具体而言，异染色质增加可通过花斑眼色（白眼）比例上升来检测；相反，异染色质减少则表现为P[lac-w]转基因表达增强（红眼）比例上升9,10,11,12。

因此，我们利用这种产生花斑眼色表型的黑腹果蝇（Drosophila）转基因系统，因为其表达水平与异染色质的含量直接相关。在发现疑似促进异染色质形成的化合物后，我们可通过其他方法（如蛋白质印迹法）进一步验证这一推测。这些促进异染色质形成的物质未来有望被进一步开发，用于患者的临床试验。

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方案

1. 药物文库制备

  1. 确定并准备待筛选的药物库，使用合适的溶剂配制至目标浓度（例如，DMSO 中 10 mM）。
    注意：药物库的一个具体示例是美国国家癌症研究所（NCI）开发治疗项目（DTP）提供的肿瘤学套装 III（Oncology Set III）。该套装中的化合物以 100% DMSO 溶液形式提供，每种 20 µL，浓度为 10 mM，分装于两块 96 孔聚丙烯（PP）U 型底板中，并在 -20 °C 下保存。NCI 板图及每种药物的基本化学数据可通过以下网站获取：
    NCI plate number 4740
    NCI plate number 4741

2. 利用Drosophila筛选促进异染色质形成的药物

  1. Drosophila 繁殖策略（图1A）
    1. 第1天：将三只 w1118/Y; DX1/CyO 雄性果蝇与三只或更多未交配的 w1118 雌性果蝇放入一个装有9 mL标准 Drosophila 培养基（Bloomington配方）的25 mm × 95 mm培养管中进行杂交。每种药物设置三个重复管，另设一个对照管用于筛选。
      注：DX1 果蝇由密苏里大学的James Birchler惠赠9,13。
    2. 第2天和第3天：在室温（22 °C）下让果蝇产卵2天。
    3. 第4天：使用短暂的CO2气体麻醉亲代果蝇，并将亲代果蝇丢弃至"果蝇尸体瓶"（含70%酒精的瓶子）中。
  2. 向 Drosophila 施加药物以进行筛选。
    1. 将每种药物化合物从原始储备液（在96孔聚丙烯U型底板中，100% DMSO中的10 mM溶液20 µL）用水中含33% DMSO的溶液稀释至终浓度为10 µM。以不含任何药物但含33% DMSO的水溶液作为对照。
      注：某些药物在水中溶解性较差，因此使用DMSO溶解。100% DMSO对果蝇有毒，而33% DMSO可耐受。
    2. 第4天：用移液器将60 µL的10 µM药物溶液或对照溶液滴加到果蝇食物表面。此时应确保亲代果蝇已被移除，且食物上已有果蝇卵和爬行的一龄幼虫。
    3. 第6天：重复向食物管中加入60 µL相同的10 µM药物溶液。
      注：由于药物是直接添加到果蝇食物上的，食物表层的药物浓度接近10 µM，而底层食物可能未完全渗透。所有果蝇均在食物表层产卵并摄食表层食物。
  3. 观察并评分眼色变化。
    1. F1代果蝇羽化后两天（约第14天），检查果蝇。使用短暂的CO2气体麻醉F1代果蝇，并将其从培养管中移至带有滤纸的多孔解剖垫上，CO2从下方缓缓通入。
    2. 在解剖显微镜下检查垫上的果蝇。观察整只果蝇，并通过其缺乏CyO显性卷翅表型来识别所有w1118/Y; DX1/+杂合雄性果蝇。
    3. 对每只w1118/Y; DX1/+杂合雄性果蝇的眼色按1至5级进行评分（图1B）。白色眼色所占百分比评分标准如下：
      1. <5% 红色斑点占眼总面积
      2. 6% – 25% 红色斑点占眼总面积
      3. 26% – 50% 红色斑点占眼总面积
      4. 51% – 75% 红色斑点占眼总面积
      5. >75% 红色斑点占眼总面积
      注：也可选择将果蝇头部在100%甲醇中匀浆，使用分光光度计在OD 450 nm处测量眼色素含量。仅选择雄性进行评分，因为PEV在DX1雄性中更为显著。每管评分不少于10只雄性果蝇。
    4. 计算每管中所有雄性果蝇的平均眼色指数。每种化合物进行三次重复实验（图1C）。
      注：由于眼色随年龄变化，此步骤具有时间敏感性。应在相同年龄（2日龄）时进行眼色评分。通常每管应评分>10只果蝇。
    5. 为确认这些化合物确实促进异染色质形成，可采用其他技术（如Western blotting）进行验证（图1G）。

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结果

本方案已成功用于筛选促进黑腹果蝇（Drosophila）异染色质形成的化合物，该体系是一种高效且低成本的体内药物开发模型（图1）。我们利用黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的DX1品系，对包含97种经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的肿瘤学药物的小分子药物文库Oncology Set III进行了筛选（图1B）。显著性药物的筛选结果以柱状图形式展示（图1C,D）。根据筛选实验，文库中编号为E7的药物甲氨蝶呤（methotrexate，即4-氨基蝶酰谷氨酸）在DX1品系中诱导了最强的花斑效应，提示甲氨蝶呤可能是未来癌症靶向治疗中最具前景的促进异染色质形成的药物（图1E,F）。为进一步确认该筛选确实在检测促...

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讨论

异染色质是DNA的一种浓缩形式，在调控基因表达中起核心作用。它在癌症中的重要性正日益受到关注，并可能成为癌症治疗的潜在靶点15,16,17,18小分子化合物因其在制造、保存以及人体代谢方面的优势，常被用于药物开发。为了鉴定促进异染色质形成的小分子化合物，设计并提出了一种高效的方法，该方法利用了 DX1果蝇 品系，已被证实能以异染色质依赖的方式影响果蝇的眼色（图1).

我们的筛选方案是一种简单、经济且易于操作的体内药物开发系统。然而，该筛选策略的一个局限性在于确定有效的药物浓度。雌性果蝇将卵产在半固体果蝇培养基的表面。在药物处理过程中，我们将含有预定浓度的药物溶液滴加到培养基表面。但由于不同药物向培养基底部扩散的效率可能存在差异，因此无...

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢 J. Birchler、E. Bach 和布卢明顿果蝇品系中心提供各种果蝇品系；感谢美国国家癌症研究所（NCI）发育治疗项目提供肿瘤学小分子药物文库；感谢加州大学圣地亚哥分校的本科生，包括 Amy Chang、Taesik You、Jessica Singh-Banga、Rachel Meza 和 Alex Chavez。本出版物报道的研究工作获得了美国胸科学会授予 J.L. 的研究基金以及美国国立卫生研究院（NIH）基金 R01GM131044 对 W.X.L. 的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
果蝇DX1 品系DX1 果蝇由 James Birchler（密苏里大学）惠赠
Drosophila 食物培养基UCSD 果蝇厨房
甲氨蝶呤NCI 药物库
二甲基亚砜 (DMSO)SigmaD2650
乙醇SigmaE7023-500ML

参考文献

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  2. Saksouk, N., Simboeck, E., Dejardin, J. Constitutive heterochromatin formation and transcription in mammals. Epigenetics Chromatin. 8, 3(2015).
  3. Allshire, R. C., Madhani, H. D. Ten principles of heterochromatin formation and function. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 19 (4), 229-244 (2018).
  4. Jenuwein, T., Allis, C. D. Translating the histone code. Science. 293 (5532), 1074-1080 (2001).
  5. Grewal, S. I., Moazed, D. Heterochromatin and epigenetic control of gene expression. Science. 301 (5634), 798-802 (2003).
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