Summary

 The Polycomb repressive complex 2 (PRC2) confers transcriptional repression through histone H3 lysine 27 trimethylation (H3K27me3). Here, we examined how PRC2 is modulated by histone modifications associated with transcriptionally active chromatin. We provide the molecular basis of histone H3 N terminus recognition by the PRC2 Nurf55-Su(z)12 submodule. Binding of H3 is lost if lysine 4 in H3 is trimethylated. We find that H3K4me3 inhibits PRC2 activity in an allosteric fashion assisted by the Su(z)12 C terminus. In addition to H3K4me3, PRC2 is inhibited by H3K36me2/3 (i.e., both H3K36me2 and H3K36me3). Direct PRC2 inhibition by H3K4me3 and H3K36me2/3 active marks is conserved in humans, mouse, and fly, rendering transcriptionally active chromatin refractory to PRC2 H3K27 trimethylation. While inhibition is present in plant PRC2, it can be modulated through exchange of the Su(z)12 subunit. Inhibition by active chromatin marks, coupled to stimulation by transcriptionally repressive H3K27me3, enables PRC2 to autonomously template repressive H3K27me3 without overwriting active chromatin domains.

Ezh2 (Enhancer of zeste homolog 2) protein is the enzymatic component of the Polycomb repressive complex 2 (PRC2), which represses gene expression by methylating lysine 27 of histone H3 (H3K27) and regulates cell proliferation and differentiation during embryonic development. Recently, hot-spot mutations of Ezh2 were identified in diffused large B-cell lymphomas and follicular lymphomas. To investigate if tumor growth is dependent on the enzymatic activity of Ezh2, we developed a potent and selective small molecule inhibitor, EI1, which inhibits the enzymatic activity of Ezh2 through direct binding to the enzyme and competing with the methyl group donor S-Adenosyl methionine. EI1-treated cells exhibit genome-wide loss of H3K27 methylation and activation of PRC2 target genes. Furthermore, inhibition of Ezh2 by EI1 in diffused large B-cell lymphomas cells carrying the Y641 mutations results in decreased proliferation, cell cycle arrest, and apoptosis. These results provide strong validation of Ezh2 as a potential therapeutic target for the treatment of cancer.

5-Methylthioadenosine phosphorylase (MTAP) is a key enzyme in the methionine salvage pathway. The MTAP gene is frequently deleted in human cancers because of its chromosomal proximity to the tumor suppressor gene CDKN2A. By interrogating data from a large-scale short hairpin RNA-mediated screen across 390 cancer cell line models, we found that the viability of MTAP-deficient cancer cells is impaired by depletion of the protein arginine methyltransferase PRMT5. MTAP-deleted cells accumulate the metabolite methylthioadenosine (MTA), which we found to inhibit PRMT5 methyltransferase activity. Deletion of MTAP in MTAP-proficient cells rendered them sensitive to PRMT5 depletion. Conversely, reconstitution of MTAP in an MTAP-deficient cell line rescued PRMT5 dependence. Thus, MTA accumulation in MTAP-deleted cancers creates a hypomorphic PRMT5 state that is selectively sensitized toward further PRMT5 inhibition. Inhibitors of PRMT5 that leverage this dysregulated metabolic state merit further investigation as a potential therapy for MTAP/CDKN2A-deleted tumors.

In contemporary pharmaceutical research, Machine Learning (ML) has emerged as a transformative force, profoundly impacting drug discovery and development. ML empowers computer systems to acquire knowledge from data, distinguishing itself through supervised and unsupervised learning. ML is pivotal in pharmaceutical research, enhancing drug efficacy, ensuring safety, personalizing medical interventions, and expediting drug repurposing. As we peer into the horizon, we anticipate refinements through deep learning models and generative networks in drug discovery. Initiatives that promote data-sharing and collaborative partnerships will shape the ML-driven landscape. This academic exploration underscores ML's transformative role in pharmaceutical research, encompassing fundamental principles and practical applications. It embodies the convergence of technology and healthcare, promising an innovative and improved healthcare future.