蛋白质组学

药界新宠——LYTAC 与靶向蛋白降解技术

近日,溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC) 的发现在“江湖”上掀起了风浪,PROTAC 技术也安上了“开关”,到底是怎么回事儿呢?作为 5G 青年的小编又忍不住下手了,借此和大家聊一聊那些靶向蛋白技术~

靶向蛋白降解 (TPD) 是一种有效性的,高度选择性的诱发蛋白降解方式。近年来,以 PROTAC 为代表的 TPD 技术的研究如火如荼。PROTAC 主要降解的是胞内蛋白,实际上,有 40% 的基因产物为胞外和膜相关蛋白,如生长因子、细胞因子和趋化因子,它们在多种疾病 (如癌症和炎症) 中引发异常信号传导。那么,有没有一种诱导胞外蛋白降解的技术来弥补 PROTAC 的这一局限呢?

PROTAC 是通过「清洁工」——泛素-蛋白酶体系统 (UPS) 来降解目标蛋白 (POI),而此途径是胞内蛋白降解的主要途径,因此 PROTAC 主要降解胞内蛋白。泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体途径:是目前最主要的两条降解途径。这两条降解途径之间相互联系,具有协同和补偿作用。

溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC)

近日,来自斯坦福大学 Bertozzi 教授的研究团队在 Nature 上报道了一项靶向胞外蛋白的降解技术——溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC)。并且证明 LYTAC 成功降解了表皮生长因子受体 (EGFR)、程序性死亡配体 1 (PD-L1) 和载脂蛋白 E4。斯坦福大学的研究人员还表明,在细胞中,LYTAC 可以靶向并降解阿尔茨海默症和癌症中的重要蛋白。继 PROTAC 之后,LYTAC 可能会成为另一个“爆款”。
 


图 1. LYTAC 作用机制[3]

LYTAC 含有两个结合域,一个寡糖肽基团 (Oligoglycopeptide group) 和一个能与目标蛋白质结合的抗体或小分子,两者用 Linker 连接。寡糖肽基团在细胞表面与跨膜受体 CI-M6PR 结合,所得复合物被细胞膜吞没,形成运输囊泡,并在 CI-M6PR 作用下将复合物转移至溶酶体降解,而受体 CI-M6PR 可循环利用并回到细胞膜 (如图 1)。例如通过使用抗 EGFR 单克隆抗体 Cetuximab 与 CI-M6PR 配体 M6Pn 糖多肽缀合构建 LYTAC Ab-2 来降解 EGFR。

另外,在去年六月份,PROTAC 先驱、耶鲁大学的 Crews 小组在 ACS Central Science 杂志上发表了另一项胞外蛋白降解技术——内源性嵌合体 (ENDTAC)。但该文章由于无法重现数据,已经于今年年初撤回。

不论是 LYTAC 还是 ENDTAC,都需要研究者继续探索,推动靶向胞外蛋白蛋白技术的进一步发展。
 

庞大的蛋白降解家族

当然,“蛋白降解家族”可不止 PROTAC,LYTAC 两个成员,还有很多其他的新兴靶向蛋白技术,如光控靶蛋白降解 (photo-PROTAC)分子胶 (Molecular Glue)自噬介导的靶蛋白降解 (AUTAC)、利用 TRIM21 E3 连接酶靶向降解蛋白的 Trim-Away基因编码降解剂 (BioPROTAC) 等,这些技术不仅扩展了蛋白降解的途径,同时提升了蛋白降解的精确度。

PROTAC 与 PhotoPROTAC

在之前的文章中给大家介绍过 PROTAC 下面来画一下重点吧。

PROTAC 一直是靶向蛋白降解家族的代表。

1、由三部分组成的双功能杂交化合物:靶蛋白配体+Linker+E3 泛素连接酶配体 (图 2)

2、通过泛素-蛋白酶体系统靶向降解蛋白:PROTAC 可以与 E3 泛素连接酶和靶蛋白结合,诱导形成三元复合物,导致多聚泛素化并随后降解靶蛋白。PROTAC 可以回收继续利用 (图 2)

3、不仅具有靶向“不可成药”蛋白的潜力,并且能够在低浓度下有效诱导蛋白质降解。PROTAC 还能靶向突变蛋白,克服小分子抑制剂耐药性的问题。
 


图 2. PROTACs 的作用机制[6]

就在今年 7 月,PROTAC 先驱 Crews 小组又在 ACS Central Science 发表了首个具有细胞活性的靶向降解 KRAS G12C 突变的 PROTAC 分子 LC-2。LC-2 由 MRTX849 与 VHL E3 连接酶配体连接组成,并在多种癌细胞系中诱导快速且持续的 KRAS G12C 降解。

与大多数小分子抑制剂主要阻断目标酶的催化活性不同,PROTACs 旨在降解目标蛋白。这种特性提供了优势的同时也有潜在的弊端,当全身给药时,它可能会导致正常细胞中的目标蛋白不受控制的降解,产生非特异性毒性。而光控开关 PROTACs 正是在 PROTAC 上添加一个可控的开关,使它在黑暗中无活性,特定波长的可见光下会被激活,降解目标蛋白。因此,光控开关 PROTACs 能够在癌细胞或组织中激活,在时间和空间上精准地控制靶向蛋白降解,消除潜在的非特异性毒性。
 

图 3. opto-pomalidomide 以 UVA 依赖的方式降解目标蛋白模式图[10]

 今年年初 Science Advances 上的两篇背靠背文章,分别发表了关于光控的精准时空激活的 PROTAC。其中哈佛医学院和西奈山医学院研究团队设计了 opto-PROTACs。他们通过在泊马度胺 (Pomalidomide) 上添加一个对光不稳定的 Caging 基团,暂时阻止 Pomalidomide 与 E3 连接酶 CRBN 的相互作用,之后利用紫外线 A (UVA) 照射,opto-pomalidomide 分子以时间依赖性方式进行光解,从笼状 (Caged) 状态中解开,并成功介导 IKZF1/3 降解。他们据此原理设计的光控 opto-dBET1 以及 opto-dALK 也都分别成功介导了 BRD 蛋白和 ALK 融合蛋白的降解 (图 3)
 

图 4. PHOTAC 的示意图分子经照射后在非活性形式 (蓝色五边形) 和
活性形式 (黄色星形) 之间切换[11]

同样的,纽约大学的研究团队开发的靶向 BET 蛋白 (BRD2/3/4) 或 FKBP12 的光开关 PHOTAC 分子,也证明了光控的精准时空激活的有效性 (图 4)

分子胶 (Molecular Glue)

分子胶是一类诱导或稳定蛋白之间相互作用的小分子化合物,通过结合 E3 泛素连接酶并修饰其分子表面,诱导新的蛋白质间相互作用 (正常情况下两者原先没有相互作用),并在连接酶的作用下,导致蛋白降解 。沙利度胺 (Thalidomide) 及类似物泊马度胺 (Pomalidomide) 和来那度胺 (Lenalidomide) 是一类免疫调节类药物 (IMiDs),也是典型的分子胶,它们可对 CRBN 进行修饰,形成新的蛋白间相互作用, 降解几种锌指转录因子,如形成 CRBN-IMiDs-IKZF1,随后降解 IKZF1 (图 5)
 

图 5. IMiDs 与 CRL4 E3 连接酶底物受体 CRBN 结合,
为泛素化和蛋白酶体降解募集底物[12]

到目前为止,除 CRBN/IMiD 分子胶之外,分子胶的设计构想仍依赖偶然的发现,包括通过系统地挖掘数据库得到的 CDK 抑制剂 CR8 分子,以及优化 MDM2 双功能降解剂 MD-222 得到的  MG-277

自噬介导的靶向蛋白质降解 (AUTAC):
自噬靶向嵌合体 (AUTAC),顾名思义,是一种利用自噬机制的降解剂,能够降解目标蛋白以及受损的细胞器,例如受损的线粒体。AUTAC 由一个模仿 S-guanylation  (即,鸟嘌呤衍生物) 的降解标签和目标蛋白配体通过 Linker 组成。S-guanylation 是一种翻译后修饰,可通过诱导 K63 多泛素化来标记选择性自噬的目标蛋白。因此,目标蛋白被自噬受体 SQSTM1/p62 识别,并被募集到选择性自噬途径进行降解 (图 6)
 

图 6. AUTAC 作用机制[15]

TRIM-Away 技术
Trim-Away,一种在细胞内快速降解目标蛋白的新技术。它利用内源性泛素连接酶 TRIM21 识别抗体的 Fc 区来降解蛋白抗体复合物。TRIM21 是一种 E3 泛素连接酶,可与抗体的 Fc 结构域高亲和力结合。

在典型的 Trim-Away 中,蛋白质降解可通过三个步骤完成:第一,引入靶向目标蛋白质的抗体;第二,将内源或外源/过表达的 TRIM21 募集至抗体结合的目标蛋白处;第三,蛋白酶体介导目标蛋白,抗体和 TRIM21 复合物的降解 (图 7)

相比于 DNA 敲除和 RNA 干扰等方式破坏靶蛋白,Trim-Away 不需预先修饰基因组或 mRNA 即可急性降解内源蛋白,而且 Trim-Away 在几分钟内就能去除靶蛋白,这种快速性可以最大程度地减少补偿机制以及继发性等。
 


图 7. TRIM-Away 机制图[5]

除上述提及到的靶向蛋白降解技术外,另外还有 BioPROTAC 靶向蛋白降解技术,它基于基因编码直接将肽或抗体模拟物与 E3 连接酶融合,通过肽或蛋白识别域结合并降解目标蛋白。由于 BioPROTAC 依赖于基因编码,因此存在一定的局限性。

结语
靶向蛋白降解技术的前途十分光明。尽管靶向蛋白降解技术存在一些悬而未决的问题和挑战,例如,如何改善 PROTAC 分子的整体药代动力学特性,S-guanylation 介导的 K63 泛素化的具体分子机制是怎样的,能否利用 AUTAC 来降解 COVID-19 的关键蛋白等。但毫无疑问,靶向蛋白降解技术填补了靶向“不可药物”蛋白的空白,并提供了基于药物化学的新的治疗途径。同时,靶向蛋白降解技术一般是将小分子药物设计成为一种新型的药物,这无疑也为小分子药物的用途提供了广阔的思路。

相关产品
PROTACs

MCE 收录了 100+ 种 PROTAC 降解剂以及各类 PROTAC 组分。PROTAC 降解剂:包括靶向 BET、STAT、MDM2、CDK、ER 、AR 等;PROTAC 组分包括 PEGs, Alkyl-Chain 和 Alkyl/ether 在内的 2000+Linker, 多种 E3 连接酶配体以及 E3 连接酶配体-Linker 偶联物,多种靶蛋白配体以及靶蛋白配体-Linker 偶联物。

CR8/(R)-CR8
有效的 CDK 抑制剂。作为分子胶来降解细胞周期素 K。

MG-277
分子胶降解剂,有效地诱导翻译终止因子 GSPT1 的降解,DC 50 为 1.3 nM。

Lenalidomide
Thalidomide 的衍生物,一种泛素 E3 连接酶 cereblon 的配体,可通过 CRBN-CRL4 泛素连接酶对两种淋巴转录因子 IKZF1 和 IKZF3 进行选择性泛素化和降解。

Pomalidomide
第三代免疫调节剂,与 E3 连接酶 cereblon 相互作用,可诱导 IKZF1 和 IKZF3 蛋白的降解。

Thalidomide
抑制 cereblon,Kd 约为 250 nM,具有免疫调节、抗炎、抗肿瘤作用。

MCE 的所有产品仅用作科学研究,我们不为任何个人用途提供产品和服务

缩写:
TPD:Targeted protein degradation
CI-M6PRCation-independent mannose-6-phosphate receptor
POIProtein of interest

参考文献:

1. Whitworth C, et al. New class of molecule targets proteins outside cells for degradation. Nature. 2020;584(7820):193-194.

2. Steven M Banik, et al. Lysosome-targeting chimaeras for degradation of extracellular proteins. Nature. 2020 Aug;584(7820):291-297.
3. REBECCA MCCLELLAN. Stanford chemists craft molecular scalpels to clear unwanted proteins from cell surfaces. news.stanford.edu.
4. Nalawansha DA, et al. Retraction of "Targeted Protein Internalization and Degradation by ENDosome TArgeting Chimeras (ENDTACs)". ACS Cent Sci. 2020;6(2):312.
5. Luh LM, et al. Prey for the Proteasome: Targeted Protein Degradation-A Medicinal Chemist´s Perspective. Angewandte Chemie International Edition. 2020.
6. Xiuyun Sun, et al. PROTACs: great opportunities for academia and industry. Signal Transduct Target Ther. 2019; 4: 64.
7. Wang Y, et al. Degradation of proteins by PROTACs and other strategies. Acta Pharm Sin B. 2020;10(2):207-238.
8. Burslem GM, et al. The Advantages of Targeted Protein Degradation Over Inhibition: An RTK Case Study. Cell Chem Biol. 2018;25(1):67-77.e3.
9. Bond M J , et al. Targeted Degradation of Oncogenic KRAS G12C by VHL-Recruiting PROTACs[J]. 2020.
10. Liu J, et al. Light-induced control of protein destruction by opto-PROTAC. Sci Adv. 2020;6(8):eaay5154.
11. Reynders M, et al. PHOTACs enable optical control of protein degradation. Sci Adv. 2020;6(8):eaay5064.
12. Gao S, et al. Novel immunomodulatory drugs and neo-substrates. Biomark Res. 2020;8:2.
13. Słabicki M, et al. The CDK inhibitor CR8 acts as a molecular glue degrader that depletes cyclin K. Nature. 2020 Jun 3.
14. Yang J, et al. Simple Structural Modifications Converting a Bona fide MDM2 PROTAC Degrader into a Molecular Glue Molecule: A Cautionary Tale in the Design of PROTAC Degraders. J Med Chem. 2019;62(21):9471-9487.
15. Takahashi D, et al. AUTACs: Cargo-Specific Degraders Using Selective Autophagy. Mol Cell. 2019;76(5):797-810.e10.
16. Clift D, et al. Acute and rapid degradation of endogenous proteins by Trim-Away.Nat Protoc. 2018 Oct;13(10):2149-2175. 
17. Ding Y, et al. Emerging New Concepts of Degrader Technologies. Trends Pharmacol Sci. 2020;41(7):464-474.

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