国自然思路|蛋白稳定性和降解，除了泛素化-蛋白酶体途径外，还有哪些？

上周直播中大家提到一个问题：RNA和蛋白表达差异的原因。我大致上说了几个，对应的推文是这篇：

国自然思路|疾病中“基因高（低）表达”原因的3个维度和14种可能性……

本周六我通过直播说一下：

今天我简单说两种研究蛋白降解的角度：泛素化-蛋白酶体途径和溶酶体途径，以及相关的药物开发技术。主要参考文献是：Targeted protein degradation: mechanisms, strategies and application：

一、泛素化-蛋白酶体途径（Ubiquitin-Proteasome System, UPS）

这个方向大家都很熟悉了。

泛素化-蛋白酶体途径是细胞内主要的蛋白质降解机制之一，负责降解损坏、错误折叠或不再需要的蛋白质。

这一途径的关键组分包括泛素蛋白、泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3）。工作流程包括：

• 泛素激活：泛素分子首先被E1激活，并与ATP结合。

• 泛素转移：激活的泛素从E1转移到E2。

• 底物识别与泛素化：E3酶识别特定的蛋白质底物，并将泛素从E2转移到底物的赖氨酸残基上，形成泛素化底物。这个过程可以重复，形成多泛素链。

• 蛋白酶体识别与降解：多泛素化的蛋白质被26S蛋白酶体识别，并被降解成小肽片段，最终被细胞进一步分解为氨基酸。

K48链接的多泛素链通常靶向蛋白质至蛋白酶体进行降解，而K63链接的多泛素链则不参与蛋白酶体降解，而是在调节溶酶体功能和炎症反应中起作用。

下面我们看一个案例：

E3泛素连接酶TRIM31促进VDAC1的蛋白酶体降解缓解帕金森多巴胺能神经退行性变。

研究主要关注TRIM31在帕金森病（PD）模型中对多巴胺能（DA）神经退行性变的调节作用，研究发现TRIM31-/-小鼠自发发展与年龄相关的运动缺陷和DA神经退行性变。此外，TRIM31在由MPTP诱导的PD小鼠的黑质纹状体区域以及由MPP+刺激的SH-SY5Y细胞中显著减少。TRIM31缺失显著加剧了由MPTP诱导的DA神经毒性。具体机制为TRIM31与VDAC1相互作用，并通过其E3泛素连接酶活性催化K48链接的多聚泛素化，从而促进VDAC1的降解。

二、溶酶体途径（Lysosomal Pathway）

溶酶体途径是细胞处理和降解长寿命蛋白质、不溶性蛋白质聚集体、整个细胞器、大分子化合物和细胞内寄生虫（如某些细菌）的主要途径。

这一途径包括内吞作用、吞噬作用和自噬作用三个主要过程：

• 内吞作用：细胞通过内吞作用将细胞表面蛋白质内化，这些蛋白质可以被溶酶体降解，或被运输回细胞膜或其他细胞器进行循环利用。

• 吞噬作用：细胞通过吞噬作用吞噬微生物病原体或其他大颗粒物质，然后通过溶酶体降解。

• 自噬作用：自噬作用是细胞清除不必要或功能失常的细胞器和蛋白质的进化保守过程。目标细胞器和蛋白质被包裹在双层膜结构的自噬小泡中，然后与溶酶体融合，内容物被降解。

自噬作用有三种形式：巨自噬（Macroautophagy）、微自噬（Microautophagy）和分子伴侣介导的自噬（Chaperone-Mediated Autophagy, CMA）。

• 巨自噬：识别功能失常的蛋白质或细胞器，并将它们包裹在自噬小泡中，与溶酶体融合后降解。

• 微自噬：溶酶体直接吞噬自噬货物并导致其降解。

• 分子伴侣介导的自噬：特定的蛋白质被分子伴侣识别并直接转移到溶酶体膜上，然后被转运至溶酶体内部进行降解。

下面我们看一个案例：

Hsc70通过靶向PD-L1促进溶酶体降解以增强抗肿瘤免疫。

研究主要关注Hsc70在肿瘤免疫治疗中的作用及其机制，研究发现Hsc70能够通过内质网-溶酶体途径促进PD-L1的降解，并减少PD-L1循环回到细胞膜的过程。这一效应依赖于Hsc70与PD-L1的结合，该结合抑制了CMTM6与PD-L1的相互作用，Hsp90α/β抑制剂AUY-922能够诱导Hsc70表达和PD-L1溶酶体降解。Hsc70过表达或AUY-922处理均能降低PD-L1表达，抑制肿瘤生长，并在雌性小鼠中促进抗肿瘤免疫；AUY-922还能增强抗PD-L1和抗CTLA4治疗的抗肿瘤效果。

考虑到很多国自然项目研究不仅围绕关键靶点的作用和机制展开，与经典的靶蛋白活性抑制剂、激动剂的策略不同，靶点的靶蛋白降解（TPD）策略也会作为一部分，所以对应以上两种作用机制的是TPD的药物开发策略：

1. PROTACs（PROteolysis TArgeting Chimeras）

PROTACs是一种利用细胞自身的泛素-蛋白酶体系统（UPS）来降解特定蛋白质的技术。PROTAC分子由三部分组成：E3泛素连接酶配体、目标蛋白配体和连接这两个配体的柔性链接器。PROTAC通过促进目标蛋白的泛素化，标记其为降解对象，随后由26S蛋白酶体识别并降解。

2. 分子胶Molecular Glue

分子胶通过促进两个蛋白质之间的相互作用，形成三元复合物，从而调节多种生物过程，包括蛋白质的降解。分子胶可以促进E3泛素连接酶与目标蛋白的相互作用，导致目标蛋白的泛素化和随后的降解。

PROTAC和分子胶的作用示意图。

a. PROTAC分子由一个靶向E3连接酶的配体、一个链接器和一个靶向蛋白质（POI）的配体组成。它同时结合POI和E3泛素连接酶，并诱导POI的多泛素化和降解。 b. 分子胶通过结合E3泛素连接酶（如示意图所示）或POI，促进POI和E3泛素连接酶之间的相互作用。与PROTAC分子相比，分子胶没有链接器，并且分子量更低。

溶酶体依赖的靶蛋白降解策略。

3. LYTACs（Lysosome-Targeting Chimaeras）

4. AUTACs（Autophagy-Targeting Chimeras）

5. AbTACs（Antibody-based PROTACs）

6. ATTECs（Autophagosome Tethering Compounds）

7. CMA-based degraders（Chaperone-Mediated Autophagy-based degraders）

CMA是一种选择性自噬形式，其中HSC70分子识别含有KFERQ序列的可溶性蛋白底物，并将它们传递到溶酶体膜上的LAMP2受体，随后底物被转运至溶酶体腔室进行降解。CMA-based degraders包含一个CMA靶向模块、一个细胞穿透肽和一个目标蛋白结合序列。