近日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院韩霆实验室与黄牛实验室针对现有的靶蛋白降解技术选择性和应用范围方面的局限性，发现了基于TRIM21的分子胶并开发了基于TRIM21的PROTAC降解剂TrimTACs，选择性降解生物分子凝聚体等多聚体蛋白（图1）。
图1. 基于TRIM21的分子胶和PROTAC的作用机制及应用范围
传统的靶蛋白降解技术主要包括分子胶型降解剂（MGs）和蛋白降解靶向嵌合体（PROTACs）技术（图2），近年来，靶蛋白降解领域虽然取得了显著进展，但仍存在一些局限性。
目前大多数分子胶降解剂都是偶然发现的，其研发缺乏系统的发现和设计策略，发现过程具有较大的偶然性，难以有针对性地开发更多有效的分子胶用于治疗不同疾病。虽然详细的机制已经被阐述，但新分子胶的药代动力学（PK）/药效动力学（PD）谱仍然是未知的，这限制了候选物的进一步优化。确定蛋白质目标的内源性合成速率、降解剂的降解速率常数和PK特性对于分子胶降解剂的优化非常重要。
此外，分子胶诱导蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）复合物的结合模型尚不够清晰，给基于结构的合理设计带来困难。
图2. 分子胶型降解剂（MGs）和蛋白降解靶向嵌合体（PROTACs）技术
当前的TPD药物主要依赖具有广泛表达模式和组成活性的少数几种E3连接酶，如CRBN或VHL，然而人类细胞中存在600多种E3连接酶（图3），这种对少数E3连接酶的过度依赖，限制了TPD技术对不同疾病和靶蛋白的适用性。例如，一些细胞类型缺乏特定E3连接酶的表达，导致这些E3连接酶并非在所有疾病中普遍适用；VHL在某些恶性肿瘤中表达下调，限制了基于VHL的PROTACs在这种情况下的治疗应用。
此外，每种E3连接酶都会带来其独特的挑战，如VHL配体是天然VHL蛋白的拮抗剂，其应用可能并不理想；CRBN配体可能会导致脱靶降解。
因此，实现更高水平的E3选择性至关重要，特别是对于在健康组织中具有基本功能的靶标。PROTACs分子量相对较大，通常超过了传统小分子药物的大小，这可能会导致细胞渗透性和药理特性较差，需要进行广泛的优化，并且限制其临床使用。
图3. 泛素蛋白酶体系统和E3泛素连接酶分类
大量研究表明异常蛋白缩聚与多种疾病有因果关系，如新发变性、自身免疫疾病以及癌症等。在这些疾病状态下，蛋白质的正常聚合过程发生紊乱，形成异常的多聚蛋白结构。例如，在神经退行性疾病中，像阿尔茨海默病的标志性病理特征β-淀粉样蛋白斑块和tau蛋白缠结，都是异常多聚蛋白聚集的结果。这些异常聚集物会干扰细胞的正常生理功能，导致神经元细胞死亡和神经功能障碍。异常的多聚蛋白不仅自身会引发疾病，还会影响其正常对应物所执行的不可缺少的功能。正常的蛋白质在细胞内通常参与各种重要的生理过程，如信号传导、物质运输和细胞结构维持等。然而，当出现异常多聚蛋白时，它们可能会干扰这些正常蛋白质的功能，进一步加剧疾病的发展（图5）。
尽管多聚蛋白与疾病的关联明确，但在生物分子凝聚物中选择性降解蛋白质而不影响稀释相中的蛋白质在技术上具有挑战性（图4）。生物分子凝聚物是在亚细胞环境中富集特定蛋白质和核酸的无膜组装物，其内部环境复杂，要实现对其中多聚蛋白的精准降解，同时避免对其他正常蛋白质的影响，是当前研究面临的难题。
图5. 蛋白质聚集由多个步骤组成，每个步骤都可以被生物分子凝聚物改变
TRIM21作为一种E3泛素连接酶，其活性可通过与多聚体底物的相互作用而被激活，这为开发新型靶向蛋白降解（TPD）技术提供了机会。如果能够利用这一特性，开发出有效的方法来选择性降解多聚蛋白，将为治疗相关疾病带来新的希望。
例如，在自身免疫性疾病中，通过降解引发自身免疫反应的异常多聚蛋白，可能有助于调节免疫系统的平衡，缓解疾病症状；在癌症治疗中，针对癌细胞中异常聚集的多聚蛋白进行降解，或许能够抑制癌细胞的生长和扩散。
近日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院韩霆实验室与黄牛实验室针对现有的靶蛋白降解技术选择性和应用范围方面的局限性，发现了基于TRIM21的分子胶并开发了基于TRIM21的PROTAC降解剂TrimTACs，选择性降解生物分子凝聚体等多聚体蛋白。
在这项研究中，研究人员提出了trim21介导的TPD作为诱导多聚蛋白选择性降解的通用策略。通过结合基于表型的高通量筛选和随后的靶标反卷积，研究人员确定(S)-ACE
OH是E3泛素连接酶TRIM21和核孔蛋白NUP98之间的分子胶型降解剂，导致NUP35、SMPD4和GLE1等多个核孔蛋白的降解（图6）。
图6. TRIM21通过识别NUP98被招募到核孔
研究人员通过X射线晶体衍射分析了TRIM21与乙酰丙嗪及其代谢物复合物中PRYSPRY结构域的共晶结构，基于晶体结构在TRIM21中发现了一个适合PROTAC功能化的可配体口袋。基于此，他们设计了基于trim21的PROTACs（TrimTAC），与基于CRBN的PROTAC相比，TrimTAC不能降解单体蛋白，但能降解多聚体靶标，同时保留了稀释相中的非多聚体靶标（图7）。之后，研究人员利用TrimTAC实现了胞质DNA诱导的cGAS聚集体的选择性降解，为TrimTAC治疗自身免疫性疾病提供了潜在应用场景，这些发现强调了基于trim21的降解物消除通过异常多聚导致疾病的靶蛋白的潜力。
图7. TrimTAC选择性降解生物分子聚集物中的多聚蛋白
该研究围绕TRIM21在蛋白降解技术中的应用展开，TRIM21相关技术如Trim - Away虽有应用但存在局限，本研究为基于TRIM21的降解物提供了新方向。
该研究中呈现了两类基于TRIM21的降解物，包括MG降解剂和TrimTACs，可分别通过引导识别及双功能作用实现对核孔复合物及生物分子凝聚物中多聚蛋白的选择性降解，对多种疾病相关异常蛋白有潜在作用，包括病毒、淀粉样蛋白聚集体、转录凝聚体、致癌融合蛋白以及免疫传感器等，利用TRIM21的可配体口袋和其灵活性创造新的界面用于靶向其他致病蛋白是未来研究的一个有潜力的方向。
但研究存在TRIM21、NUP98和（S）-ACE-OH三元复合物结构未解析等局限，未来应聚焦于针对内源性蛋白的TrimTACs研究以拓展治疗应用。
[1] Dale, Brandon et al. “Advancing targeted protein degradation for cancer therapy.” Nature reviews. Cancer vol. 21,10 (2021): 638-654. doi:10.1038/s41568-021-00365-x[2] Schapira, Matthieu et al. “Targeted protein degradation: expanding the toolbox.” Nature reviews. Drug discovery vol. 18,12 (2019): 949-963. doi:10.1038/s41573-019-0047-y[3] Visser, Brent S et al. “The role of biomolecular condensates in protein aggregation.” Nature reviews. Chemistry vol. 8,9 (2024): 686-700. doi:10.1038/s41570-024-00635-w[4] Lu, Panrui et al. “Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders.” Cell, S0092-8674(24)01197-8. 30 Oct. 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.10.015
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