清華新聞網(wǎng)11月4日電 通過(guò)化學(xué)小分子誘導(dǎo)靶蛋白和E3泛素連接酶的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)靶蛋白的特異性降解是一種新興的藥物開(kāi)發(fā)模式，為傳統(tǒng)上被認(rèn)為“難以成藥”的靶點(diǎn)提供了全新的解決方案。當(dāng)前用于靶向蛋白降解的化學(xué)分子主要分為兩類(lèi)：蛋白降解靶向嵌合體（PROTAC）和分子膠（Molecular Glue）。PROTAC是一類(lèi)雙功能分子，由靶蛋白結(jié)合配體、E3泛素連接酶結(jié)合配體以及連接子組成。近期已有多個(gè)PROTAC分子進(jìn)入臨床試驗(yàn)，并在人類(lèi)患者中驗(yàn)證了其療效與安全性。分子膠則是一類(lèi)單價(jià)分子，通過(guò)作用于蛋白-蛋白的相互作用界面，增強(qiáng)E3泛素連接酶與靶蛋白之間的相互作用。代表性的分子膠藥物來(lái)那度胺和泊馬度胺在治療多發(fā)性骨髓瘤中展現(xiàn)出了顯著療效。雖然PROTAC和分子膠藥物開(kāi)發(fā)取得了顯著進(jìn)展，但是靶向蛋白降解領(lǐng)域主要依賴(lài)于CRBN或VHL等廣泛表達(dá)且持續(xù)活躍的E3泛素連接酶，在區(qū)分正常蛋白和致病蛋白方面，現(xiàn)有技術(shù)尚存在不足。因此，發(fā)現(xiàn)能夠選擇性降解致病蛋白的E3泛素連接酶及其配體至關(guān)重要。
11月1日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院韓霆實(shí)驗(yàn)室與黃牛實(shí)驗(yàn)室在《細(xì)胞》（Cell）上在線(xiàn)發(fā)表了題為“用TRIM21基分子膠和PROTAC降解劑選擇性降解多聚蛋白”（Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders）的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)乙酰丙嗪的代謝產(chǎn)物(S)-ACE-OH具有E3泛素連接酶TRIM21介導(dǎo)的分子膠活性，并據(jù)此設(shè)計(jì)了基于TRIM21的新型PROTAC分子（命名為T(mén)rimTAC），能夠選擇性降解多聚蛋白而不影響單體蛋白。由于異常蛋白聚集會(huì)引發(fā)自身免疫疾病、神經(jīng)退行性疾病以及癌癥，上述研究成果突顯出TrimTAC技術(shù)的應(yīng)用前景。
研究人員首先通過(guò)基于表型的高通量篩選發(fā)現(xiàn)了乙酰丙嗪（ACE）能與干擾素協(xié)同殺傷非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549。使用乙酰丙嗪處理多種腫瘤細(xì)胞系和正常細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)乙酰丙嗪對(duì)部分腫瘤細(xì)胞系選擇性殺傷，但不影響另一些腫瘤細(xì)胞系以及正常細(xì)胞。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ACE敏感細(xì)胞系通過(guò)醛酮還原酶將ACE還原成了S構(gòu)型的羥乙基丙嗪（ACE-OH），而(S)-ACE-OH是殺傷腫瘤細(xì)胞的ACE代謝產(chǎn)物。
為了探究(S)-ACE-OH如何殺傷腫瘤細(xì)胞，研究人員進(jìn)行了全基因組CRISPR篩選，發(fā)現(xiàn)TRIM21是介導(dǎo)(S)-ACE-OH殺傷腫瘤細(xì)胞的關(guān)鍵因子。通過(guò)基因敲除和過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)證明了TRIM21的表達(dá)量與(S)-ACE-OH的細(xì)胞毒性成正相關(guān)；而TRIM21的表達(dá)則受到干擾素的誘導(dǎo)。上述發(fā)現(xiàn)為ACE和干擾素的協(xié)同殺傷腫瘤細(xì)胞的活性提供了合理的解釋。
TRIM21是一種先天免疫受體，可識(shí)別逃逸到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)并且被抗體包被的病毒，從而觸發(fā)抗病毒免疫反應(yīng)。TRIM21的C端PRYSPRY結(jié)構(gòu)域具有一個(gè)疏水口袋，可結(jié)合抗體的Fc區(qū)。研究人員在TRIM21的Fc結(jié)合口袋中構(gòu)建了幾個(gè)點(diǎn)突變，發(fā)現(xiàn)W381A或W383A突變完全阻斷了乙酰丙嗪的活性，而D355A突變則增強(qiáng)了乙酰丙嗪的敏感性，上述結(jié)果表明TRIM21與Fc結(jié)合的口袋很可能也是(S)-ACE-OH結(jié)合的位點(diǎn)。
由于TRIM21具有E3泛素連接酶活性，研究人員通過(guò)定量質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(S)-ACE-OH可以誘導(dǎo)NUP35、SMPD4和GLE1等多個(gè)核孔蛋白的降解，從而破壞了核孔結(jié)構(gòu)，造成核質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)功能的喪失。為了探究核孔復(fù)合物上TRIM21直接的作用靶點(diǎn)，研究人員進(jìn)行了CRISPR-suppressor scanning和PML-degron融合蛋白降解實(shí)驗(yàn)，將核孔復(fù)合物上的靶點(diǎn)錨定到了NUP98。研究人員進(jìn)一步使用GST pulldown和ITC實(shí)驗(yàn)在體外重構(gòu)了(S)-ACE-OH、TRIM21和NUP98的三元復(fù)合物，從而證明(S)-ACE-OH是一種全新的分子膠。
研究人員通過(guò)X射線(xiàn)晶體衍射獲得了乙酰丙嗪及其代謝產(chǎn)物與TRIM21的共晶結(jié)構(gòu)，為新配體的開(kāi)發(fā)和PROTAC的設(shè)計(jì)提供了方向。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了基于TRIM21的PROTAC（命名為T(mén)rimTAC）。通過(guò)對(duì)比TrimTAC和傳統(tǒng)的基于CRBN的PROTAC的細(xì)胞活性，發(fā)現(xiàn)TrimTAC不能降解單體蛋白，但能降解聚集形式的蛋白；而基于CRBN的PROTAC不具備上述選擇性。這一特性來(lái)源于TRIM21的本身性質(zhì)：與多聚的靶蛋白結(jié)合后，TRIM21的RING結(jié)構(gòu)域二聚，才能激活其E3泛素連接酶的活性。為了驗(yàn)證TrimTAC在疾病治療方面的應(yīng)用前景，研究人員使用TrimTAC實(shí)現(xiàn)了胞質(zhì)DNA誘導(dǎo)的cGAS聚集體的選擇性降解，從而為T(mén)rimTAC治療自身免疫性疾病提供了潛在應(yīng)用場(chǎng)景。
綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)乙酰丙嗪的代謝產(chǎn)物(S)-ACE-OH具有分子膠活性，誘導(dǎo)E3泛素連接酶TRIM21與核孔蛋白NUP98相互作用，從而引發(fā)核孔蛋白的降解。基于乙酰丙嗪衍生的TrimTAC分子可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多聚致病蛋白的選擇性降解，而不影響單體蛋白。由于蛋白質(zhì)異常聚集可導(dǎo)致自身免疫疾病、神經(jīng)退行性疾病及癌癥等多種疾病，研究展示了多聚體選擇性的TrimTAC技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。
基于TRIM21的分子膠和PROTAC的作用機(jī)理以及未來(lái)的應(yīng)用方向
北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院韓霆研究員與黃牛研究員為論文的共同通訊作者。韓霆實(shí)驗(yàn)室2019級(jí)博士生陸盼睿、2021級(jí)博士生程亞龍、2020級(jí)博士生薛雷和黃牛實(shí)驗(yàn)室2022級(jí)博士生任欣桐為論文共同第一作者。高通量篩選得到了化學(xué)中心/齊湘兵實(shí)驗(yàn)室的大力支持，李超實(shí)驗(yàn)室的陳成龍也對(duì)該研究作出了重要貢獻(xiàn)。研究得到北京市科委、清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院以及北京生命科學(xué)研究所的資助。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)01197-8
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
