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Nature子刊：分子胶开发，一种「新思路」诞生

医药魔方Pro · 公众号 · · 2024-08-05 21:06

正文

分子胶是一类重要的蛋白降解剂，能实现招募靶蛋白与E3连接酶的双重功能。由于其分子量较小，所以在成药性方面具有优势。

然而，目前大多数分子胶是偶然发现的。现有的“理性设计策略”大多是通过药物化学手段，在已有分子胶化合物基础上，进行结构及成药性优化得到的。所以，设计针对特定靶点的分子胶是目前的一大难点，也是未来亟需攻克的关键难题。

近日， Nature Chemical Biology 杂志上线了一篇论文，作者发现了一种称为“模板辅助共价修饰” （template-assisted covalent modification）的分子胶作用机制，并据此开发了一系列新的BRD4分子胶降解剂，这些分子胶可以将CUL4 ^DCAF16 连接酶招募到BRD4的第二个溴结构域(BRD4 _BD2 )。这一研究为共价分子胶的设计提供了新的视角，并为开发具有强效和高特异性的分子胶提供了策略。

研究流程

如图1a所示，研究者们首先通过优化JQ1 （一种已上市的BRD4选择性抑制剂）和GNE-0011 （一种临床前BRD4降解剂）的结构，得到了一种丙烯醛类似物TMX1，该分子对BRD4的降解效果更强，且能同时保持对BRD4 _BD2 的选择性。研究发现，TMX1的主要降解靶点是BRD4，而对其他两个BET家族蛋白BRD2和BRD3的影响较小。此外，机制研究发现，TMX1可通过招募DCAF16来降解BRD4。

图1. TMX1通过DCAF16降解BRD4

接下来，研究者们通过时间分辨荧光能量转移（TR-FRET）实验，观察到TMX1诱导的DCAF16与BRD4 _BD2 之间的相互作用比BRD4 _BD1 更为紧密。实验结果表明，TMX1能够选择性地招募DCAF16到BRD4 _BD2 ，导致BRD4的降解。此外，在高浓度下，TMX1与DCAF16的相互作用下降，这可能是由于TMX1与DCAF16形成共价键所致。由于BRD4 _BD2 的存在促进了共价修饰，研究人员认为这可能是因为它使丙烯醛弹头被半胱氨酸攻击，所以将该机制命名为“模板辅助共价修饰”。

图2. “模板辅助共价修饰”DCAF16，及优化的亲电弹头降解剂

然后，研究者们合成了两个有亲电弹头的化合物——丙烯酰胺类似物MMH1和乙烯基磺酰胺类似物 MMH2（图2c）。与TMX1相比，MMH1和MMH2在BRD4 _BD2 降解活性和DCAF16招募方面均有所显著提升。此外，MMH1和MMH2在BRD4降解方面表现出类似的活性，并且由于共价机制，它们在洗脱后表现出更持久的活性。这表明优化后的弹头可提高降解剂的效力，并限制脱靶毒性。

之后，研究人员通过冷冻电镜（cryo-EM），对BRD4 _BD2 、DCAF16和MMH2的三元复合体进行了结构表征。结果发现，DCAF16上的Cys58是分子胶降解剂的特异性靶点。

图3. DCAF16 _Cys58 是分子胶降解剂的靶点

此外，通过系统性的丙氨酸突变分析，研究者们确定了BRD4 _BD2 中对分子胶粘剂降解剂活性至关重要的氨基酸残基——His437。

图4. 对BRD4 _BD2 构象至关重要的残基

最后，研究者们探索了“模板辅助共价修饰”是否可以扩展到DCAF16之外的其他蛋白质，他们发现GAK蛋白也能通过这种机制与BRD4 _BD2 相互作用，在BRD4 _BD2 存在的情况下，MMH2和TMX1对GAK的共价修饰显著增加。

总的来说，研究人员通过一系列实验，阐明了一类新型的共价分子胶作用机制——“模板辅助共价修饰”，为共价分子胶的合理设计提供了新思路。

注：文章配图均来自Nature Chemical Biology。

参考资料：

Yen-Der Li et al. Template-assisted covalent modification underlies activity of covalent molecular glues. Nature Chemical Biology（2024）

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01668-4

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