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Cell | 韩霆/黄牛合作开发多聚蛋白选择性降解技术

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-02 08:24

正文

通过化学小分子诱导靶蛋白和E3泛素连接酶的相互作用，从而实现靶蛋白的特异性降解是一种新兴的药物开发模式，为传统上被认为“难以成药”的靶点提供了全新的解决方案。当前用于靶向蛋白降解的化学分子主要分为两类：蛋白降解靶向嵌合体(PROTAC)和分子胶(Molecular Glue)。PROTAC是一类双功能分子，由靶蛋白结合配体、E3泛素连接酶结合配体以及连接子组成。近期已有多个PROTAC分子进入临床试验，并在人类患者中验证了其疗效与安全性。分子胶则是一类单价分子，通过作用于蛋白-蛋白的相互作用界面，增强E3泛素连接酶与靶蛋白之间的相互作用。代表性的分子胶药物来那度胺和泊马度胺在治疗多发性骨髓瘤中展现出了显著疗效。此外，韩霆团队前期发现的芳基磺胺类分子(Han et al., Science 2017)和HQ461(Lv et al., eLife 2020)也具有分子胶活性；这两类分子胶的发现进一步拓宽了分子胶的应用范围。虽然PROTAC和分子胶药物开发取得了显著进展，但是靶向蛋白降解领域主要依赖于CRBN或VHL等广泛表达且持续活跃的E3泛素连接酶，在区分正常蛋白和致病蛋白方面，现有技术尚存在不足。因此，发现能够选择性降解致病蛋白的E3泛素连接酶及其配体至关重要。

2024年11月1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在Cell上在线发表了题为“Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders”的研究论文。该研究发现乙酰丙嗪的代谢产物(S)-ACE-OH具有E3泛素连接酶TRIM21介导的分子胶活性，并据此设计了基于TRIM21的新型PROTAC分子(命名为TrimTAC)，能够选择性降解多聚蛋白而不影响单体蛋白。由于异常蛋白聚集会引发自身免疫疾病、神经退行性疾病以及癌症，上述研究成果突显出TrimTAC技术的应用前景。

研究人员首先通过基于表型的高通量筛选发现了乙酰丙嗪(ACE)能与干扰素协同杀伤非小细胞肺癌细胞系A549。使用乙酰丙嗪处理多种肿瘤细胞系和正常细胞，发现乙酰丙嗪对部分肿瘤细胞系选择性杀伤，但不影响另一些肿瘤细胞系以及正常细胞。进一步研究发现，ACE敏感细胞系通过醛酮还原酶将ACE还原成了S构型的羟乙基丙嗪(ACE-OH)，而(S)-ACE-OH是杀伤肿瘤细胞的ACE代谢产物。

为了探究(S)-ACE-OH如何杀伤肿瘤细胞，研究人员进行了全基因组CRISPR筛选，发现TRIM21是介导(S)-ACE-OH杀伤肿瘤细胞的关键因子。通过基因敲除和过表达实验证明了TRIM21的表达量与(S)-ACE-OH的细胞毒性成正相关；而TRIM21的表达则受到干扰素的诱导。上述发现为ACE和干扰素的协同杀伤肿瘤细胞的活性提供了合理的解释。

TRIM21是一种先天免疫受体，可识别逃逸到细胞质内并且被抗体包被的病毒，从而触发抗病毒免疫反应。TRIM21的C端PRYSPRY结构域具有一个疏水口袋，可结合抗体的Fc区。研究人员在TRIM21的Fc结合口袋中构建了几个点突变，发现W381A或W383A突变完全阻断了乙酰丙嗪的活性，而D355A突变则增强了乙酰丙嗪的敏感性，上述结果表明TRIM21与Fc结合的口袋很可能也是(S)-ACE-OH结合的位点。

由于TRIM21具有E3泛素连接酶活性，研究人员通过定量质谱实验发现(S)-ACE-OH可以诱导NUP35、SMPD4和GLE1等多个核孔蛋白的降解，从而破坏了核孔结构，造成核质主动转运功能的丧失。为了探究核孔复合物上TRIM21直接的作用靶点，研究人员进行了CRISPR-suppressor scanning和PML-degron融合蛋白降解实验，将核孔复合物上的靶点锚定到了NUP98。研究人员进一步使用GST pulldown和ITC实验在体外重构了(S)-ACE-OH、TRIM21和NUP98的三元复合物，从而证明 (S)-ACE-OH是一种全新的分子胶。

研究人员通过X射线晶体衍射获得了乙酰丙嗪及其代谢产物与TRIM21的共晶结构，为新配体的开发和PROTAC的设计提供了方向。根据晶体结构设计了基于TRIM21的PROTAC（命名为TrimTAC）。通过对比TrimTAC和传统的基于CRBN的PROTAC的细胞活性，发现TrimTAC不能降解单体蛋白，但能降解聚集形式的蛋白；而基于CRBN的PROTAC不具备上述选择性。这一特性来源于TRIM21的本身性质：与多聚的靶蛋白结合后，TRIM21的RING结构域二聚，才能激活其E3泛素连接酶的活性。为了验证TrimTAC在疾病治疗方面的应用前景，研究人员使用TrimTAC实现了胞质DNA诱导的cGAS聚集体的选择性降解，从而为TrimTAC治疗自身免疫性疾病提供了潜在应用场景。

综上所述，本研究发现乙酰丙嗪的代谢产物 (S)-ACE-OH 具有分子胶活性，诱导 E3 泛素连接酶 TRIM21 与核孔蛋白 NUP98 相互作用，从而引发核孔蛋白的降解。基于乙酰丙嗪衍生的 TrimTAC 分子可以实现对多聚致病蛋白的选择性降解，而不影响单体蛋白。由于蛋白质异常聚集可导致自身免疫疾病、神经退行性疾病及癌症等多种疾病，该研究展示了多聚体选择性的TrimTAC技术的广阔应用前景。在此研究基础上，韩霆实验室和黄牛实验室正在开展进一步合作，利用大规模虚拟筛选技术发现更多结构类型的TRIM21配体，为后续TrimTAC药物开发奠定基础。