清華新聞網11月4日電 通過化學小分子誘導靶蛋白和E3泛素連接酶的相互作用，從而實現(xiàn)靶蛋白的特異性降解是一種新興的藥物開發(fā)模式，為傳統(tǒng)上被認為“難以成藥”的靶點提供了全新的解決方案。當前用于靶向蛋白降解的化學分子主要分為兩類：蛋白降解靶向嵌合體（PROTAC）和分子膠（Molecular Glue）。PROTAC是一類雙功能分子，由靶蛋白結合配體、E3泛素連接酶結合配體以及連接子組成。近期已有多個PROTAC分子進入臨床試驗，并在人類患者中驗證了其療效與安全性。分子膠則是一類單價分子，通過作用于蛋白-蛋白的相互作用界面，增強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和分子膠藥物開發(fā)取得了顯著進展，但是靶向蛋白降解領域主要依賴于CRBN或VHL等廣泛表達且持續(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重要。
11月1日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫(yī)學交叉研究院韓霆實驗室與黃牛實驗室在《細胞》（Cell）上在線發(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)乙酰丙嗪的代謝產物(S)-ACE-OH具有E3泛素連接酶TRIM21介導的分子膠活性，并據(jù)此設計了基于TRIM21的新型PROTAC分子（命名為TrimTAC），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引發(fā)自身免疫疾病、神經退行性疾病以及癌癥，上述研究成果突顯出TrimTAC技術的應用前景。
研究人員首先通過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)同殺傷非小細胞肺癌細胞系A549。使用乙酰丙嗪處理多種腫瘤細胞系和正常細胞，發(fā)現(xiàn)乙酰丙嗪對部分腫瘤細胞系選擇性殺傷，但不影響另一些腫瘤細胞系以及正常細胞。進一步研究發(fā)現(xiàn)，ACE敏感細胞系通過醛酮還原酶將ACE還原成了S構型的羥乙基丙嗪（ACE-OH），而(S)-ACE-OH是殺傷腫瘤細胞的ACE代謝產物。
為了探究(S)-ACE-OH如何殺傷腫瘤細胞，研究人員進行了全基因組CRISPR篩選，發(fā)現(xiàn)TRIM21是介導(S)-ACE-OH殺傷腫瘤細胞的關鍵因子。通過基因敲除和過表達實驗證明了TRIM21的表達量與(S)-ACE-OH的細胞毒性成正相關；而TRIM21的表達則受到干擾素的誘導。上述發(fā)現(xiàn)為ACE和干擾素的協(xié)同殺傷腫瘤細胞的活性提供了合理的解釋。
TRIM21是一種先天免疫受體，可識別逃逸到細胞質內并且被抗體包被的病毒，從而觸發(fā)抗病毒免疫反應。TRIM21的C端PRYSPRY結構域具有一個疏水口袋，可結合抗體的Fc區(qū)。研究人員在TRIM21的Fc結合口袋中構建了幾個點突變，發(fā)現(xiàn)W381A或W383A突變完全阻斷了乙酰丙嗪的活性，而D355A突變則增強了乙酰丙嗪的敏感性，上述結果表明TRIM21與Fc結合的口袋很可能也是(S)-ACE-OH結合的位點。
由于TRIM21具有E3泛素連接酶活性，研究人員通過定量質譜實驗發(fā)現(xiàn)(S)-ACE-OH可以誘導NUP35、SMPD4和GLE1等多個核孔蛋白的降解，從而破壞了核孔結構，造成核質主動轉運功能的喪失。為了探究核孔復合物上TRIM21直接的作用靶點，研究人員進行了CRISPR-suppressor scanning和PML-degron融合蛋白降解實驗，將核孔復合物上的靶點錨定到了NUP98。研究人員進一步使用GST pulldown和ITC實驗在體外重構了(S)-ACE-OH、TRIM21和NUP98的三元復合物，從而證明(S)-ACE-OH是一種全新的分子膠。
研究人員通過X射線晶體衍射獲得了乙酰丙嗪及其代謝產物與TRIM21的共晶結構，為新配體的開發(fā)和PROTAC的設計提供了方向。根據(jù)晶體結構設計了基于TRIM21的PROTAC（命名為TrimTAC）。通過對比TrimTAC和傳統(tǒng)的基于CRBN的PROTAC的細胞活性，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。這一特性來源于TRIM21的本身性質：與多聚的靶蛋白結合后，TRIM21的RING結構域二聚，才能激活其E3泛素連接酶的活性。為了驗證TrimTAC在疾病治療方面的應用前景，研究人員使用TrimTAC實現(xiàn)了胞質DNA誘導的cGAS聚集體的選擇性降解，從而為TrimTAC治療自身免疫性疾病提供了潛在應用場景。
綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)乙酰丙嗪的代謝產物(S)-ACE-OH具有分子膠活性，誘導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分子可以實現(xiàn)對多聚致病蛋白的選擇性降解，而不影響單體蛋白。由于蛋白質異常聚集可導致自身免疫疾病、神經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技術的廣闊應用前景。
基于TRIM21的分子膠和PROTAC的作用機理以及未來的應用方向
北京生命科學研究所/清華大學生物醫(yī)學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。韓霆實驗室2019級博士生陸盼睿、2021級博士生程亞龍、2020級博士生薛雷和黃牛實驗室2022級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中心/齊湘兵實驗室的大力支持，李超實驗室的陳成龍也對該研究作出了重要貢獻。研究得到北京市科委、清華大學生物醫(yī)學交叉研究院以及北京生命科學研究所的資助。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)01197-8
供稿：生物醫(yī)學交叉研究院
題圖設計：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
