PROTAC之后:期待溶酶体降解技术的突破

2021
05/17

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凯莱英医药
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靶向蛋白降解 (Targeted proteindegradation,TPD) 技术利用细胞内天然存在的两大蛋白降解系统,即泛素化-蛋白酶体系统(Ubiquitin-proteasome system, UPS)与溶酶体降解途径,实现对疾病相关蛋白的特异、高效降解,从而达到疾病治疗的效果。UPS是细胞内最重要的蛋白质降解途径,具有高度特异性和选择性,是细胞内环境稳定的关键调节因素,负责降解细胞80%的正常或异常的蛋白,并在细胞周期调控、信号转导、核酸密码翻译等多种生命过程中发挥重要作用,是目前细胞内参与TPD的主要途径。但是,依赖UPS降解蛋白时,需靶标蛋白具有胞质结构域,并要求降解剂具有细胞渗透性,因此将蛋白质降解的范围扩大到细胞外靶位有一定的限制。溶酶体降解技术作为一种非特异性蛋白质降解途径,能够参与表面膜蛋白和胞吞的胞外蛋白质、完整细胞器和蛋白多聚体的降解中,一定程度上补充了UPS的不足。

泛素化-蛋白酶体系统(UPS)与溶酶体降解途径区别

资料来源:凯莱英、生物经纬、赢迪资本

溶酶体降解途径主要基于内吞小泡和自噬两种途径:基于内吞小泡,建立了靶向嵌合体系统(Lysosometargetingchimaeras,LYTACs);基于自噬,包括由伴侣蛋白介导的自噬 (Chaperone-mediatedautophagy,CMA),自噬靶向嵌合体(Autophagy-TargetingChimera,AUTAC),以及自噬连接化合物(Autophagosome-tetheringcompound,ATTEC)。

溶酶体降解途径的作用机制示意图

来源:文献[5]

它们(LYTAC、CMA、AUTAC、ATTEC等)与基于UPS的蛋白水解靶向嵌合分子(Proteinproteolysis targetingchimeras,PROTAC)技术区别如下:

资料来源:凯莱英、生物经纬、赢迪资本

研究情况

1、LYTACs

Bertozzi等[1]基于内吞小泡的溶酶体途径,利用能够同时结合细胞表面溶酶体靶向受体(LTRs) 和跨膜蛋白胞外区段的抗体分子,建立了LYTACs。阳离子非依赖型甘露糖6-磷酸受体 (CI-M6PR) 是真核生物细胞内最为典型的LTR,它能将带有甘露糖6-磷酸(Mannose-6-phosphate,M6P) 残基的N-聚糖的蛋白质内源性转运至溶酶体并降解。当抗体或小分子与细胞膜外或细胞膜上的靶蛋白结合后,M6P基团会被CI-M6PR识别,CI-M6PR会将自身结合的蛋白转运至溶酶体进而完成蛋白的降解过程。

图片来源:文献[1]

在他们的研究中,将寡聚甘露糖-6-磷酸 (M6Pn) 共价交联在目标蛋白的特异性抗体上,识别目标蛋白后,交联的M6Pn会结合细胞表面的CI-M6PR,从而将多种胞膜蛋白如载脂蛋白E4(Apolipoprotein E4)、表皮生长因子受体 (EGFR)、程序性死亡蛋白配体-1 (PD-L1) 以及CD71运送至溶酶体进行降解。

2、CMA

CMA由伴侣蛋白如热激关联蛋白70(Hsc70) 等介导,伴侣蛋白与人体细胞中受损或有缺陷的蛋白质结合,并将其货物运送至细胞的溶酶体,然后溶酶体内的蛋白酶将货物蛋白消化并回收利用。为了成功地将其货物运入溶酶体,分子伴侣必须首先将物质“停靠”在称为LAMP2A的蛋白质受体上,溶酶体上的LAMP2A受体越多, CMA活性水平可能越高。CA通过增加LAMP2A受体的数量起作用。

图片来源:我爱生化公众号

Fan 等[2]将细胞穿膜肽(CPP)、CMA靶向基序(CTM)与蛋白结合域(PBD) 三种功能多肽融合,这种嵌合蛋白在原代神经元内能有效降解死亡相关蛋白激酶1 (DAPK1) 以及支架蛋白突触后致密区95 (PSD-95)。但CMA研究依赖于穿膜肽如TAT,因此,目前其治疗效果很大程度上受限于穿膜肽的递送效率。

3、AUTAC

Arimot等[3]根据自噬过程设计了AUTAC,主要包含两部分:降解标签鸟嘌呤类似物 (如S-鸟苷酸)和目标蛋白配体,鸟嘌呤类似物可以诱导目标蛋白的K63多聚泛素化标记,从而招募自噬体将其降解。该研究团队接下来设计了一系列靶向MetAP2、FKBP12、BET、TSPO等蛋白的AUTAC分子:这些分子的一端可以特异性识别靶蛋白,另一端为模拟S-guanylation修饰的基团,如下图所示:

图片来源:文献[3]

但是自噬过程步骤多且极其复杂,影响因素会非常多,因此稳定性较差。除此之外,S-鸟苷酸诱导的K63泛素化,AUTAC是否会出现脱靶效应以及在体内的效果如何等方面都还需深入研究。

4、ATTEC

鲁伯埙教授团队[4]基于自噬通路,采取招募胞浆微管相关蛋白轻链3(Microtubule-associatedprotein light chain 3,LC3)的方式,建立了AUTAC。亨廷顿病 (Huntington’s disease,HTT dieases,HD) 是一种遗传性神经退行性疾病,目前已有研究表明突变的HTT蛋白 (mHTT) 是HD 的主要病因。该团队利用小分子微阵列的方法,筛选到能够同时结合mHTT和LC3,但不与野生型相互作用的ATTEC分子(如下图所示)。ATTEC在结合LC3后定位至自噬泡并将mHTT包入自噬体内,最终将其降解,而与此同时野生型并未受影响。

图片来源:文献[4]

展望

近几年兴起的基于溶酶体降解途径的CMA、LYTAC、ATTEC、AUTAC降解方法虽然在靶蛋白的降解上为我们提供了全新的思路,进一步扩展了TPD药物的靶点蛋白范围。但是,招募溶酶体途径的相关元件的具体机制仍未完全掌握,“劫持”细胞溶酶体降解途径是否会对机体造成影响尚不明确,因此,基于溶酶体途径的TPD药物还有很长的路要走,对工作机制的了解、结构的优化都将为其未来的发展铺平道路。

参考文献

[1] Banik SM, Pedram K, Wisnovsky S, etal.Lysosome-targeting chimaeras for degradation of extracellular proteins.Nature, 2020, 584(7820):291-297.

[2] Fan XL, Jin WY, Lu J, et al. Rapid andreversible knockdown of endogenous proteins by peptidedirected lysosomaldegradation. Nat Neurosci, 2014,17(3): 471-480.

[3] Takahashi D, Moriyama J, Nakamura T, etal.AUTACs: cargo-specific degraders using selective autophagy. Mol Cell, 2019,76(5): 797-810.e10.

[4] Li ZY, Wang C, Wang ZY, et al.Allele-selective lowering of mutant HTT protein by HTT-LC3 linker compounds.Nature, 2019, 575(7781): 203-209.

[5]Chen SP, Yang H, Jiang JL, et al. Researchprogress on targeted protein degradation technology and its applications indiseases therapy. Chin J Biotech, 2021, 37(12): 1-18.

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关键词:
溶酶体,降解,技术,突破,细胞,分子,靶向

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