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……

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， Hsp90 α / 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 ）

LYTACs 是一种利用溶酶体途径降解细胞外和膜蛋白的技术。 LYTAC 分子可以同时结合膜蛋白的细胞外结构域和细胞表面的溶酶体靶向受体（如 CI-MPR ），形成三元复合物，导致蛋白内化并通过溶酶体途径降解。

4. AUTACs （ Autophagy-Targeting Chimeras ）

AUTACs 通过模拟细胞内信号分子 8- 硝基鸟苷单磷酸（ 8-nitro-cGMP ）来促进自噬体的形成。 AUTAC 分子包含一个 cGMP 基础的降解标签、一个链接器和一个目标蛋白的小分子配体。 AUTAC 分子触发 K63 链接的多泛素化，随后通过溶酶体途径降解。

5. AbTACs （ Antibody-based PROTACs ）

AbTACs 利用双特异性抗体，一个臂靶向细胞表面的目标蛋白，另一个臂靶向膜上的 E3 泛素连接酶（如 RNF43 ）。 AbTAC 分子诱导目标蛋白复合物的内化和随后的溶酶体降解。

6. ATTECs （ Autophagosome Tethering Compounds ）

ATTEC 通过与自噬体的关键蛋白 LC3 结合，将目标蛋白直接连接到自噬体上，促进自噬体的形成和目标蛋白的降解。

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。

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