亮了!金堅/魏文毅聯合團隊《科學》子刊:光誘導蛋白質精準降解

2020-12-15 騰訊網

▎藥明康德內容團隊編輯

2004年，諾貝爾化學獎授予以色列科學家Aaron Ciechanover、Avram Hershko和美國科學家Irwin Rose，表彰他們發現了泛素（ubiquitin）調節的蛋白質降解過程。他們的研究表明，生物體以其獨有的智慧，利用細胞內一種叫做E3連接酶的蛋白質，識別體內的有害蛋白質，並將「泛素」這種多肽標記到需要降解的蛋白質上。帶有泛素標籤的蛋白質會被細胞內的蛋白酶體識別並降解，實現了細胞內有害蛋白質的精準降解。

藥物化學家將這種蛋白質降解機制應用到小分子藥物的設計中，創造性地提出了一種定向降解蛋白質的技術：PROTAC（PRoteolysis TArgeting Chimeras），即蛋白降解靶向嵌合體。這種蛋白質降解劑一般由三部分組成：E3連接酶的配體、需要降解的蛋白質的配體，以及將兩種配體連接起來的連接子。這種蛋白質降解劑會分別與E3連接酶和靶向蛋白作用，最終形成由E3連接酶、蛋白質降解劑和靶向蛋白組成的三組分複合物。複合物中的E3連接酶隨之將泛素分子標記到靶向蛋白質上，就能導致靶向蛋白被蛋白酶體降解。

PROTAC技術已被廣泛應用於各種靶向蛋白的降解。由Arvinas開發的AVS-110和AVS-378已進入臨床研究，用於治療耐雄激素限制療法的轉移性前列腺癌和乳腺癌。PROTAC與蛋白質小分子抑制劑最大的區別是，由於將目標蛋白降解之後PROTAC可以回收再利用，因此PROTAC具有「催化」性能，即一個PROTAC分子可以降解數個或者數十個目標蛋白分子。然而，如果PROTAC無限制地降解目標蛋白，或者將正常細胞內的有用蛋白也降解的話，有時會帶來嚴重的問題。因此，發展功能可控的PROTAC分子顯得極為重要。如果在PROTAC分子上安裝一個「開關」，就可以控制其在需要的組織發揮蛋白降解作用，例如選擇性降解癌細胞內的蛋白，而不影響正常細胞內的蛋白。

遵循這樣的研究思路，美國西奈山伊坎醫學院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）的金堅教授課題組和哈佛醫學院的魏文毅教授課題組合作，在PROTAC分子上連接一個光敏基團，利用紫外光實現了PROTAC功能的可控調節。他們將這種技術稱為「opto-PROTAC」。相關成果發表在《科學》旗下子刊Science Advances上。

▲圖片來源：參考資料[1]

▲金堅教授（左）和魏文毅教授（右）（圖片來源：西奈山伊坎醫學院官網/哈佛醫學院官網）

作為一項概念驗證研究，作者先將E3連接酶CRBN配體泊馬度胺（pomalidomide）進行改造，研究其光敏活性。隨後，作者研究了基於泊馬度胺的兩種opto-PROTAC，即opto-dBET1和opto-dALK的光敏活性。

▲opto-PROTAC的概念圖示（圖片來源：參考資料[1]）

泊馬度胺（pomalidomide）是一種常用的免疫調節劑，可以作為所謂的「分子膠水」，將IKZF1/3蛋白和CRBN連接在一起，通過泛素化IKZF1/3蛋白介導其降解。單晶結構表明，泊馬度胺分子中的戊二醯亞胺NH基團和CRBN蛋白中的His380殘基之間的相互作用十分關鍵。作者將這個NH基團用NVOC基團屏蔽，合成的opto-pomalidomide不能與CRBN結合，從而抑制了IKZF1/3蛋白的降解。而在紫外光UVA的照射下，opto-pomalidomide會失去NVOC基團，釋放出泊馬度胺分子。此時，研究者觀察到了IKZF1/3蛋白的泛素化和隨之的降解。

▲（A）opto-pomalidomide在UVA的照射下釋放出活性的pomalidomide；（B）opto-pomalidomide在UVA照射下發生的化學反應（圖片來源：參考資料[1]）

前人的研究表明，dBET1和dALK能分別有效介導BRD蛋白和ALK蛋白的降解。在類似的思路下，作者在兩個分子中分別引入NVOC光敏基團，合成了相應的opto-PROTAC，即opto-dBET1和opto-dALK。

▲opto-dBET1和opto-dALK的分子結構（圖片來源：參考資料[1]）

基於蛋白降解的免疫印跡實驗和基於細胞的細胞存活性實驗都表明，在UVA的照射下，這兩種opto-PROTAC都和相應的PROTAC具有相當的活性，有效降解的相應的蛋白。更重要的是，在黑暗狀態下，這兩種opto-PROTAC即使在很高的濃度下也失去了降解蛋白的活性，表明光照與否充當了調節蛋白降解活性的開關。

作為一項概念驗證研究，作者成功實現了opto-pomalidomide和兩種opto-PROTAC在紫外光誘導下的可控蛋白降解。由於紫外光對組織的穿透性不強，且容易導致DNA分子的損傷，作者提出，之後可以進一步發展基於對組織很有強穿透性、且能量較弱的近紅外光誘導的opto-PROTAC技術。

題圖來源：Pixabay

參考資料

[1] Jing Liu et al., (2020). Light-induced control of protein destruction by opto-PROTAC. Sci. Adv., DOI: 10.1126/sciadv.aay5154

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