2020年8月2日訊/
生物谷BIOON/---當科學家們在細胞上發現潛在的危險蛋白時，他們可能會想像將自己縮小成為小小的外科醫生，只切除有問題的蛋白分子，而將細胞的健康細胞完整地保留下來。在一項新的研究中，來自美國史丹福大學的研究人員指出，雖然靈巧的雙手和鋒利的器械永遠無法從細胞表面上切除單個蛋白，但是一種新的分子工具可以讓細胞外科手術變得更容易。相關研究結果於2020年7月29日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Lysosome-targeting chimaeras for degradation of extracellular proteins」。
這些作者開發出一類新的分子，它們可以將不需要的蛋白從細胞表面或周圍環境中穿梭到溶酶體中，其中溶酶體是專門用於蛋白降解的細胞區室。這些分子稱為溶酶體靶向嵌合體（lysosome targeting chimera, LYTAC），它們的工作機理是選擇性地用標籤標記蛋白，這個標籤決定了蛋白的命運，使之作為細胞垃圾進行降解。這種選擇性降解可以幫助科學家們研究和治療癌症和阿爾茨海默病等疾病，這些疾病的病因與表面蛋白有關。
溶酶體靶向嵌合體（LYTAC）的作用機制。 LYTAC分子由一個寡糖肽基團（與細胞表面受體CI-M6PR結合）和一個與特定跨膜蛋白或細胞外蛋白結合的抗體組成。該抗體也可以由一個小的蛋白結合分子（未顯示）代替。在同時與CI-M6PR和靶蛋白結合時，所產生的複合物被細胞膜吞噬，形成運輸囊泡。這將這種複合物帶到溶酶體（一種含有蛋白降解酶的細胞器）。靶蛋白被降解，受體CI-M6PR被循環利用；LYTAC分子本身是否也被降解還有待觀察。LYTAC在治療方面有潛在的應用價值。圖片來自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2545-9。
論文第一作者、史丹福大學人文科學學院Carolyn Bertozzi教授實驗室的博士後研究員Steven Banik說，「這就像一把分子手術刀。這種工具允許你加快細胞上或細胞外的所有蛋白中的某種蛋白的自然降解。」
蛋白對許多生物過程至關重要，比如代謝和細胞間交流，但有些蛋白也會幫助癌症等疾病擴散，逃避免疫調節。當蛋白發揮作用時，其他細胞成分可以停靠到它的活性位點。阻礙這些不好蛋白的傳統方法涉及使用阻斷蛋白活性位點的藥物，這通常是通過移動原子來實現的。但這種阻斷策略並不完美，有時結合口袋太淺，抑制劑被太快彈出。在其他時候，蛋白的活性來自於它的物理特性，比如它的剛性，而不是來自於任何活性位點，所以阻斷整個蛋白的一小部分是不夠的。在這些情況下，將蛋白從細胞中排出是唯一的選擇。
自從20年前人們開發出蛋白水解靶向嵌合體（proteolysis targeting chimera, PROTAC）以來，蛋白降解作為一種治療策略特別受歡迎。PROTAC尋找並標記細胞內蛋白使之隨後遭受降解，在研究實驗室和早期的臨床研究中取得了成功，但它們依靠的是一種降解途徑，而這種途徑對大約40%位於細胞膜上或細胞膜外的蛋白來說是不可觸及的。Bertozzi和Banik並沒有接受某些蛋白--以及疾病--是遙不可及的說法。
Bertozzi說，「我的實驗室一直對細胞表面上發生的事情感興趣，這其中就包括對免疫調節很重要的蛋白。我們已鑑定出許多我們認為在癌症中發揮致病作用的細胞表面蛋白和分泌蛋白，LYTAC可以幫助我們更好地理解它們，並探索將它們作為藥物靶點。」
讓這種工具發揮作用的關鍵在於它的雙功能設計。LYTAC分子的一側可以定製，與任何感興趣的蛋白結合。它的另一側是一個短的胺基酸序列，或者說是肽，上面鑲嵌著一種叫做甘露糖-6-磷酸（mannose-6-phosphate）的糖。
這種糖作為細胞的記帳標籤。當細胞含有送到溶酶體中進行降解的蛋白時，它就會添加上這種糖，以確保它們到達目的地。Banik說，「甘露糖-6-磷酸的作用就像一個郵政編碼。這種糖告訴細胞，『我要把這種蛋白帶到溶酶體。請把我送到那裡去。』」細胞表面有受體與這種糖相互作用，當它們抓住LYTAC分子並把它拉進細胞時，被標記的蛋白也會跟著它一起被拖進來。
在將這種標籤附著在蛋白上的過程中，LYTAC劫持了一種天然的細胞穿梭機制，該機制旨在護送新合成的溶酶體蛋白到它們的新家。但是，溶酶體蛋白足夠堅韌，可以在溶酶體中遇到的降解酶存在下存活下來，而大多數蛋白卻不能做到這一點，因此那些被LYTAC方法標記的蛋白通常會被破壞。
這些研究人員證實在細胞中，他們可以靶向並降解在阿爾茨海默病和癌症中起著重要作用的蛋白。根據他們的說法，LYTAC的蛋白拴系端可以是任何與蛋白結合的東西，比如抗體或現有的藥物，所以在未來，許多其他蛋白和疾病都可以被攻擊。
Bertozzi說，「有了蛋白降解策略，你不僅可以擴大藥物可靶向（druggable）的靶細胞數量，還可以改進已有的療法。每個細胞都有溶酶體。每個細胞都已經有了降解蛋白的方法。無論你的靶標是什麼，如果你能讓LYTAC到達那裡，你就能降解它。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Steven M. Banik et al. Lysosome-targeting chimaeras for degradation of extracellular proteins. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2545-9.