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LYTAC 与靶向蛋白降解技术

  近日,溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC) 的发现在“江湖”上掀起了风浪,PROTAC 技术也安上了“开关”,到底是怎么回事儿呢?作为 5G 青年的小编又忍不住下手了,借此和大家聊一聊那些靶向蛋白技术~
 
  靶向蛋白降解 (TPD) 是一种有效性的,高度选择性的诱发蛋白降解方式。近年来,以 PROTAC 为代表的 TPD 技术的研究如火如荼。PROTAC 主要降解的是胞内蛋白,实际上,有 40% 的基因产物为胞外和膜相关蛋白,如生长因子、细胞因子和趋化因子,它们在多种疾病 (如癌症和炎症) 中引发异常信号传导。那么,有没有一种诱导胞外蛋白降解的技术来弥补 PROTAC 的这一局限呢?
 
  M 君叨叨:PROTAC 是通过「清洁工」——泛素-蛋白酶体系统 (UPS) 来降解目标蛋白 (POI),而此途径是胞内蛋白降解的主要途径,因此 PROTAC 主要降解胞内蛋白。泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体途径:是目前最主要的两条降解途径。这两条降解途径之间相互联系,具有协同和补偿作用。
 
  溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC)
 
  近日,来自斯坦福大学 Bertozzi 教授的研究团队在 Nature 上报道了一项靶向胞外蛋白的降解技术——溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC)。并且证明 LYTAC 成功降解了表皮生长因子受体 (EGFR)、程序性死亡配体 1 (PD-L1) 和载脂蛋白 E4。斯坦福大学的研究人员还表明,在细胞中,LYTAC 可以靶向并降解阿尔茨海默症和癌症中的重要蛋白。继 PROTAC 之后,LYTAC 可能会成为另一个“爆款”。
  图 1. LYTAC 作用机制
 
  LYTAC 含有两个结合域,一个寡糖肽基团 (Oligoglycopeptide group) 和一个能与目标蛋白质结合的抗体或小分子,两者用 Linker 连接。寡糖肽基团在细胞表面与跨膜受体 CI-M6PR 结合,所得复合物被细胞膜吞没,形成运输囊泡,并在 CI-M6PR 作用下将复合物转移至溶酶体降解,而受体 CI-M6PR 可循环利用并回到细胞膜 (如图 1)。例如通过使用抗 EGFR 单克隆抗体 Cetuximab 与 CI-M6PR 配体 M6Pn 糖多肽缀合构建 LYTAC Ab-2 来降解 EGFR。
 
  另外,在去年六月份,PROTAC 先驱、耶鲁大学的 Crews 小组在 ACS Central Science 杂志上发表了另一项胞外蛋白降解技术——内源性嵌合体 (ENDTAC)。但该文章由于无法重现数据,已经于今年年初撤回。
 
  不论是 LYTAC 还是 ENDTAC,都需要研究者继续探索,推动靶向胞外蛋白蛋白技术的进一步发展。
 
  庞大的蛋白降解家族
 
  当然,“蛋白降解家族”可不止 PROTAC,LYTAC 两个成员,还有很多其他的新兴靶向蛋白技术,如光控靶蛋白降解 (photo-PROTAC)、分子胶 (Molecular Glue),自噬介导的靶蛋白降解 (AUTAC)、利用 TRIM21 E3 连接酶靶向降解蛋白的 Trim-Away,基因编码降解剂 (BioPROTAC) 等,这些技术不仅扩展了蛋白降解的途径,同时提升了蛋白降解的精确度。
 
  ■ PROTAC 与 PhotoPROTAC:
 
  M 君叨叨:在之前的文章中给大家介绍过 PROTAC ,不知道大家还记得多少呢?下面 M 君来画一下重点。
 
  PROTAC 一直是靶向蛋白降解家族的代表。
 
  1、由三部分组成的双功能杂交化合物:靶蛋白配体+Linker+E3 泛素连接酶配体 (图 2)。
 
  2、通过泛素-蛋白酶体系统靶向降解蛋白:PROTAC 可以与 E3 泛素连接酶和靶蛋白结合,诱导形成三元复合物,导致多聚泛素化并随后降解靶蛋白。PROTAC 可以回收继续利用 (图 2)。
 
  3、不仅具有靶向“不可成药”蛋白的潜力,并且能够在低浓度下有效诱导蛋白质降解。PROTAC 还能靶向突变蛋白,克服小分子抑制剂耐药性的问题。
  图 2. PROTACs 的作用机制
 
  就在今年 7 月,PROTAC 先驱 Crews 小组又在 ACS Central Science 发表了首个具有细胞活性的靶向降解 KRAS G12C 突变的 PROTAC 分子 LC-2 (“不可成药靶点” KRAS: 关门才是大吉)。LC-2 由 MRTX849 与 VHL E3 连接酶配体连接组成,并在多种癌细胞系中诱导快速且持续的 KRAS G12C 降解。
 
  与大多数小分子抑制剂主要阻断目标酶的催化活性不同,PROTACs 旨在降解目标蛋白。这种特性提供了优势的同时也有潜在的弊端,当全身给药时,它可能会导致正常细胞中的目标蛋白不受控制的降解,产生非特异性毒性。而光控开关 PROTACs 正是在 PROTAC 上添加一个可控的开关,使它在黑暗中无活性,特定波长的可见光下会被激活,降解目标蛋白。因此,光控开关 PROTACs 能够在癌细胞或组织中激活,在时间和空间上精准地控制靶向蛋白降解,消除潜在的非特异性毒性。
 

  图 3. opto-pomalidomide 以 UVA 依赖的方式
  降解目标蛋白模式图
 
  今年年初 Science Advances 上的两篇背靠背文章,分别发表了关于光控的精准时空激活的 PROTAC。其中哈佛医学院和西奈山医学院研究团队设计了 opto-PROTACs。他们通过在泊马度胺 (Pomalidomide) 上添加一个对光不稳定的 Caging 基团,暂时阻止 Pomalidomide 与 E3 连接酶 CRBN 的相互作用,之后利用紫外线 A (UVA) 照射,opto-pomalidomide 分子以时间依赖性方式进行光解,从笼状 (Caged) 状态中解开,并成功介导 IKZF1/3 降解。他们据此原理设计的光控 opto-dBET1 以及 opto-dALK 也都分别成功介导了 BRD 蛋白和 ALK 融合蛋白的降解 (图 3)。
  图 4. PHOTAC 的示意图
 
  分子经照射后在非活性形式 (蓝色五边形) 和
 
  活性形式 (黄色星形) 之间切换
 
  同样的,纽约大学的研究团队开发的靶向 BET 蛋白 (BRD2/3/4) 或 FKBP12 的光开关 PHOTAC 分子,也证明了光控的精准时空激活的有效性 (图 4)。
 
  ■ 分子胶 (Molecular Glue)
 
  分子胶是一类诱导或稳定蛋白之间相互作用的小分子化合物,通过结合 E3 泛素连接酶并修饰其分子表面,诱导新的蛋白质间相互作用 (正常情况下两者原先没有相互作用),并在连接酶的作用下,导致蛋白降解 (干货 | 分子胶:改变蛋白-蛋白关系的时空开关) 。沙利度胺 (Thalidomide) 及类似物泊马度胺 (Pomalidomide) 和来那度胺 (Lenalidomide) 是一类免疫调节类药物 (IMiDs),也是典型的分子胶,它们可对 CRBN 进行修饰,形成新的蛋白间相互作用, 降解几种锌指转录因子,如形成 CRBN-IMiDs-IKZF1,随后降解 IKZF1 (图 5)。
  图 5. IMiDs 与 CRL4 E3 连接酶底物受体 CRBN 结合,
 
  为泛素化和蛋白酶体降解募集底物
 
  到目前为止,除 CRBN/IMiD 分子胶之外,分子胶的设计构想仍依赖偶然的发现,包括通过系统地挖掘数据库得到的 CDK 抑制剂 CR8 分子,以及优化 MDM2 双功能降解剂 MD-222 得到的 MG-277。
 
  ■ 自噬介导的靶向蛋白质降解 (AUTAC):
 
  自噬靶向嵌合体 (AUTAC),顾名思义,是一种利用自噬机制的降解剂,能够降解目标蛋白以及受损的细胞器,例如受损的线粒体。AUTAC 由一个模仿 S-guanylation  (即,鸟嘌呤衍生物) 的降解标签和目标蛋白配体通过 Linker 组成。S-guanylation 是一种翻译后修饰,可通过诱导 K63 多泛素化来标记选择性自噬的目标蛋白。因此,目标蛋白被自噬受体 SQSTM1/p62 识别,并被募集到选择性自噬途径进行降解 (图 6)。
  图 6. AUTAC 作用机制
 
  ■ TRIM-Away 技术:
 
  Trim-Away,一种在细胞内快速降解目标蛋白的新技术。它利用内源性泛素连接酶 TRIM21 识别抗体的 Fc 区来降解蛋白抗体复合物。TRIM21 是一种 E3 泛素连接酶,可与抗体的 Fc 结构域高亲和力结合。
 
  在典型的 Trim-Away 中,蛋白质降解可通过三个步骤完成:第一,引入靶向目标蛋白质的抗体;第二,将内源或外源/过表达的 TRIM21 募集至抗体结合的目标蛋白处;第三,蛋白酶体介导目标蛋白,抗体和 TRIM21 复合物的降解 (图 7)。
 
  相比于 DNA 敲除和 RNA 干扰等方式破坏靶蛋白,Trim-Away 不需预先修饰基因组或 mRNA 即可急性降解内源蛋白,而且 Trim-Away 在几分钟内就能去除靶蛋白,这种快速性可以最大程度地减少补偿机制以及继发性等。
  图 7. TRIM-Away 机制图
 
  除上述提及到的靶向蛋白降解技术外,另外还有 BioPROTAC 靶向蛋白降解技术,它基于基因编码直接将肽或抗体模拟物与 E3 连接酶融合,通过肽或蛋白识别域结合并降解目标蛋白。由于 BioPROTAC 依赖于基因编码,因此存在一定的局限性。
 
  M 君叨叨:以后和师弟师妹聊天,不能只知道一个 PROTAC 啊~~这么多种靶向蛋白降解技术呢,这一波知识赶紧收下,保证收获师弟师妹崇拜的小眼神!
 
  结语
 
  靶向蛋白降解技术的前途十分光明。尽管靶向蛋白降解技术存在一些悬而未决的问题和挑战,例如,如何改善 PROTAC 分子的整体药代动力学特性,S-guanylation 介导的 K63 泛素化的具体分子机制是怎样的,能否利用 AUTAC 来降解 COVID-19 的关键蛋白等。但毫无疑问,靶向蛋白降解技术填补了靶向“不可药物”蛋白的空白,并提供了基于药物化学的新的治疗途径。同时,靶向蛋白降解技术一般是将小分子药物设计成为一种新型的药物,这无疑也为小分子药物的用途提供了广阔的思路。

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