復旦大學魯伯壎團隊:降解技術新概念

來源：CellPress細胞科學

近日，復旦大學生命科學學院魯伯壎、丁澦與信息科學與工程學院費義豔合作，圍繞基於溶酶體降解技術的針對「不可成藥」靶點藥物研發新技術撰寫綜述文章《降解技術的新概念》（Emerging New Concepts of Degrader Technologies），發表於Cell Press細胞出版社期刊綜述期刊Trends in Pharmacological Sciences（IF=13.5）。

該文章系統介紹了針對「不可成藥」靶點溶酶體降解藥物開發的幾種新技術，並討論了它們的潛在豐富應用和可能的局限性。

人類遺傳學研究表明，許多新的靶蛋白通過獲得功能性毒性而引起疾病。傳統的藥物開發策略需要佔據結合位點進而抑制目標蛋白功能活性，這使得與疾病相關的支架蛋白、轉錄因子和其他非酶蛋白等都變得「不可成藥」。通過增強蛋白質質量控制系統能糾正或降解這些「不可成藥」致病蛋白質。此外，對於病原性蛋白引起的神經退行性疾病，誘導自噬可能是一種潛在的治療策略。這些方法雖然具有治療多種疾病的潛力但會誘導細胞整體變化，可能產生強烈的補償機制或廣泛的非特異性作用來抵消實際效果。

選擇性降低致病蛋白水平是一種更有效的策略。基於核酸的RNA或DNA靶向試劑進行基因沉默是其中一種方法，儘管基因治療很有前景，但仍面臨一些關鍵挑戰如難以遞送且價格過高。因此，誘導目標蛋白降解的可行性更大且可以滿足巨大的臨床需求。

圖1：已建立的選擇性靶向目標蛋白（POI）策略

PROTAC降解技術

目前小分子誘導蛋白降解的主要方法是蛋白降解靶向嵌合體（PROTAC）技術。PROTAC分子通過拉近靶蛋白和E3連接酶的距離從而提高靶蛋白的泛素化效率，進而誘導蛋白酶體系統對靶蛋白進行降解。但PROTAC存在一定局限性，如該方法依賴特定E3連接酶，限制其在某些細胞中的應用，其分子量普遍偏大，成藥性存在一定問題，另外泛素-蛋白酶體途徑對聚集蛋白質或者大的蛋白質的降解無能為力。

溶酶體降解技術

除了泛素-蛋白酶體途徑外，細胞內蛋白質的降解還主要通過自噬-溶酶體途徑。因此針對溶酶體降解途徑降解「不可成藥」靶點也具有廣泛的開發前景。溶酶體降解途徑包括內體/溶酶體途徑和自噬途徑。內體/溶酶體途徑由多個膜結合的細胞區室協同作用，即首先內吞進入細胞的蛋白，然後通過早期內體、內體載體囊泡、晚期內體和溶酶體進行後續降解。自噬途徑始於被稱為吞噬泡的分離膜結構，該結構來自具有脂質化LC3蛋白的脂質雙層膜，吞噬泡通過膨脹進而吞噬蛋白質和其他生物分子甚至包括細胞器的細胞內物質，這些物質被隔離在稱為自噬體的雙膜囊泡中隨後被降解。接下來將主要介紹溶酶體降解途徑的主要三種技術。

圖2：靶向溶酶體的3種新興降解技術

1.溶酶體靶向嵌合體

LYTAC（溶酶體靶向嵌合體）技術是一種利用內體/溶酶體途徑降解目標蛋白的方法。PROTAC技術主要針對細胞內蛋白，而LYTAC可作用於膜蛋白和細胞外對PROTAC具有抗性的蛋白質（如EGFR）。LYTAC分子由針對特定目標蛋白的抗體和6-磷酸甘露糖（M6P）共價連接組成。抗體可被內源系統識別，其結合的目標蛋白將被轉運到溶酶體中進行降解。LYTAC技術的優勢在於利用了普遍表達的內源性降解途徑降解細胞外蛋白和膜蛋白，主要不足是分子量大且分子中的抗體或多肽可能誘導免疫反應。

2. 自噬靶向嵌合體

自噬靶向嵌合體（AUTAC）採用與PROTAC類似的設計，很適合降解胞質中對PROTAC分子具有抗性的目標蛋白。貨物蛋白（cargo proteins）首先被吞噬形成自噬體，然後SQSTM1/p62等自噬受體識別Lys63（K63）多聚泛素化貨物蛋白，並將它們轉移到自噬體進行降解。AUTAC和PROTAC分子均通過泛素化起作用，但AUTAC分子通過觸發K63多聚泛素化從而誘導靶標降解。研究發現AUTAC分子具備降解目標蛋白以及受損的線粒體等細胞器的能力。

3. 自噬小體綁定化合物

自噬小體綁定化合物（ATTEC）是利用自噬降解目標蛋白的一種更直接方法。與PROTAC和AUTAC不同，ATTEC分子與泛素化無關。ATTEC分子可以直接將目標蛋白和LC3結合在一起，促進目標蛋白被自噬體吞噬。mHTT（突變的mHTT）是引發亨廷頓氏病（HD）的主要原因，該蛋白具有重複擴展的多聚穀氨醯胺（polyQ）。研究表明，自噬體偶聯化合物可以在細胞或者動物模型體內降解mHTT，並減弱HD相關的表型。體外實驗表明，ATTEC分子可以和polyQ特異性相互作用從而選擇性降解mHTT且不影響wtHTT水平。ATTEC分子還能夠降解其他引起疾病的polyQ蛋白。通過直接與自噬體蛋白LC3相互作用並繞過泛素化過程，ATTEC分子在降解DNA/RNA分子、受損的細胞器等通過自噬識別的非蛋白貨物方面具有巨大潛力。ATTEC分子是否會影響整體自噬活性還有待研究。與PROTAC、LYTAC和AUTAC的分子量相比，靶向mHTT的ATTEC分子量非常小，這可能具有更好的藥物特性。

表1：PROTAC和新興降解技術的優勢和局限性

除PROTAC技術外，本文還展示了這三個新興的降解技術。儘管每個技術都有其優點和局限性（表1），但它們極大地擴展了降解技術的潛在應用，可在降解神經系統疾病中的靶蛋白、降解編碼致病蛋白的遺傳物質、以及清除致病細菌和病毒等領域具有潛在的廣泛應用，可能為靶向降解領域的研究開闢新途徑。儘管這些新興降解技術具有空前的潛力能極大地擴展降解技術的應用範圍，但它們仍處於起步階段，需要解決眾多關鍵問題。通過合適的研究開發，它們可能成為令人興奮的新藥開發途徑。

作者專訪：

Cell Press細胞出版社邀請魯伯壎教授進行專訪，請他們為大家進一步詳細解讀。

CellPress：

靶向蛋白質降解是藥物研發領域的一個新興方向。靶向蛋白降解嵌合體（PROTAC）技術是目前非常有前景的一種技術，但在綜述中也提到是仍然存在局限性的。您怎麼看待PROTAC這一技術呢？

魯伯壎教授：

PROTAC是非常有前景的技術，也有藥物進入臨床，最終這個技術是否成功要看臨床試驗的效果。另一方面，PROTAC依賴特定幾個E3泛素化連接酶的表達以及蛋白酶體介導的降解，因此發展突破這兩個因素導致的局限，可能是發展獨立於PROTAC的技術最大的意義。

CellPress：

LYTAC, AUTAC, ATTEC，這些新的技術都是利用溶酶體來進行靶向的降解，具體有哪些應用呢？您可以舉例介紹一下嗎？

魯伯壎教授：

溶酶體途徑理論上可以降解各種生物大分子甚至包括細胞器，另一方面，溶酶體也可以降解本來通過蛋白酶體降解的蛋白。因此，溶酶體靶向的降解技術在理論上可能可以降解各種致病蛋白、蛋白聚集體、DNA/RNA、細胞器、病原體、脂類、過氧化酶體等多種疾病相關物質。

LYTAC，AUTAC及ATTEC這些溶酶體靶向技術的原理不同。LYTAC主要利用內吞體—溶酶體途徑，因此適用於細胞外蛋白及細胞膜蛋白。AUTAC基於K63泛素化介導的選擇性自噬，可以作用於胞內可被K63泛素化的蛋白。ATTEC直接將需降解的靶點綁定至自噬小體，因此可以降解的目標範圍不限於蛋白。

CellPress：

關於這些新技術，還有哪些問題需要解決？您團隊下一步的研究方向是怎樣的？

魯伯壎教授：

目前這些新技術都處於新生階段，很多進一步的驗證和機制解析工作需要做。個人認為最關鍵的工作是：LYTAC目前主要是大分子，如何變成小分子？AUTAC導致靶蛋白K63泛素化的機制是什麼？ATTEC與LC3結合的結構生物學基礎是什麼？

當然除了以上最關鍵的問題，還有很多細節問題需要解決，在我們的綜述裡也有討論。我們團隊一方面在探索ATTEC與LC3的結構生物學，另外一方面在拓展ATTEC的應用。此外，我們也在發展新的原創技術。

作者介紹：

魯伯壎 教授

魯伯壎，復旦大學教授。2003年本科畢業於復旦大學，2009年博士畢業於美國賓夕法尼亞大學，其後在國際藥企諾華Novartis任博士後。2012年底全職回國在復旦大學開始獨立科研工作。與復旦大學合作者費義豔、丁澦、黨永軍等合作發明了致病蛋白選擇性降解新技術ATTEC（Nature 2019，入選Nature年度十大傑出科技論文）。