LYTAC 與靶向蛋白降解技術(shù)講解

近日，溶酶體靶向嵌合體 (LYTAC) 的發(fā)現(xiàn)在“江湖”上掀起了風(fēng)浪，PROTAC 技術(shù)也安上了“開關(guān)”，到底是怎么回事兒呢？作為 5G 青年的小編又忍不住下手了，借此和大家聊一聊那些靶向蛋白技術(shù)~



靶向蛋白降解 (TPD) 是一種有效性的，高度選擇性的誘發(fā)蛋白降解方式。近年來，以 PROTAC 為代表的 TPD 技術(shù)的研究如火如荼。PROTAC 主要降解的是胞內(nèi)蛋白，實(shí)際上，有 40% 的基因產(chǎn)物為胞外和膜相關(guān)蛋白，如生長因子、細(xì)胞因子和趨化因子，它們在多種疾病 (如癌癥和炎癥) 中引發(fā)異常信號傳導(dǎo)。那么，有沒有一種誘導(dǎo)胞外蛋白降解的技術(shù)來彌補(bǔ) PROTAC 的這一局限呢？

 

PROTAC 是通過「清潔工」——泛素-蛋白酶體系統(tǒng) (UPS) 來降解目標(biāo)蛋白 (POI)，而此途徑是胞內(nèi)蛋白降解的主要途徑，因此 PROTAC 主要降解胞內(nèi)蛋白。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬-溶酶體途徑：是目前最主要的兩條降解途徑。這兩條降解途徑之間相互聯(lián)系，具有協(xié)同和補(bǔ)償作用。

溶酶體靶向嵌合體 (LYTAC)
 

近日，來自斯坦福大學(xué) Bertozzi 教授的研究團(tuán)隊(duì)在 Nature 上報(bào)道了一項(xiàng)靶向胞外蛋白的降解技術(shù)——溶酶體靶向嵌合體 (LYTAC)。并且證明 LYTAC 成功降解了表皮生長因子受體 (EGFR)、程序性死亡配體 1 (PD-L1) 和載脂蛋白 E4。斯坦福大學(xué)的研究人員還表明，在細(xì)胞中，LYTAC 可以靶向并降解阿爾茨海默癥和癌癥中的重要蛋白。繼 PROTAC 之后，LYTAC 可能會(huì)成為另一個(gè)“爆款”。

 

圖 1. LYTAC 作用機(jī)制^[3]

 

LYTAC 含有兩個(gè)結(jié)合域，一個(gè)寡糖肽基團(tuán) (Oligoglycopeptide group) 和一個(gè)能與目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)合的抗體或小分子，兩者用 Linker 連接。寡糖肽基團(tuán)在細(xì)胞表面與跨膜受體 CI-M6PR 結(jié)合，所得復(fù)合物被細(xì)胞膜吞沒，形成運(yùn)輸囊泡，并在 CI-M6PR 作用下將復(fù)合物轉(zhuǎn)移至溶酶體降解，而受體 CI-M6PR 可循環(huán)利用并回到細(xì)胞膜 (如圖 1)。例如通過使用抗 EGFR 單克隆抗體 Cetuximab 與 CI-M6PR 配體 M6Pn 糖多肽綴合構(gòu)建 LYTAC Ab-2 來降解 EGFR。

 

另外，在去年六月份，PROTAC 先驅(qū)、耶魯大學(xué)的 Crews 小組在 ACS Central Science 雜志上發(fā)表了另一項(xiàng)胞外蛋白降解技術(shù)——內(nèi)源性嵌合體 (ENDTAC)。但該文章由于無法重現(xiàn)數(shù)據(jù)，已經(jīng)于今年年初撤回。

 

不論是 LYTAC 還是 ENDTAC，都需要研究者繼續(xù)探索，推動(dòng)靶向胞外蛋白蛋白技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

龐大的蛋白降解家族


 

當(dāng)然，“蛋白降解家族”可不止 PROTAC，LYTAC 兩個(gè)成員，還有很多其他的新興靶向蛋白技術(shù)，如光控靶蛋白降解 (photo-PROTAC)、分子膠 (Molecular Glue)，自噬介導(dǎo)的靶蛋白降解 (AUTAC)、利用 TRIM21 E3 連接酶靶向降解蛋白的 Trim-Away，基因編碼降解劑 (BioPROTAC) 等，這些技術(shù)不僅擴(kuò)展了蛋白降解的途徑，同時(shí)提升了蛋白降解的精確度。

 

■ PROTAC 與 PhotoPROTAC：

 

 

PROTAC 一直是靶向蛋白降解家族的代表。

 

1、由三部分組成的雙功能雜交化合物：靶蛋白配體+Linker+E3 泛素連接酶配體 (圖 2)。

 

2、通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)靶向降解蛋白：PROTAC 可以與 E3 泛素連接酶和靶蛋白結(jié)合，誘導(dǎo)形成三元復(fù)合物，導(dǎo)致多聚泛素化并隨后降解靶蛋白。PROTAC 可以回收繼續(xù)利用 (圖 2)。

 

3、不僅具有靶向“不可成藥”蛋白的潛力，并且能夠在低濃度下有效誘導(dǎo)蛋白質(zhì)降解。PROTAC 還能靶向突變蛋白，克服小分子抑制劑耐藥性的問題。

 

圖 2. PROTACs 的作用機(jī)制^[6]

 

就在今年 7 月，PROTAC 先驅(qū) Crews 小組又在 ACS Central Science 發(fā)表了首個(gè)具有細(xì)胞活性的靶向降解 KRAS G12C 突變的 PROTAC 分子 LC-2 (“不可成藥靶點(diǎn)” KRAS: 關(guān)門才是大吉)。LC-2 由 MRTX849 與 VHL E3 連接酶配體連接組成，并在多種癌細(xì)胞系中誘導(dǎo)快速且持續(xù)的 KRAS G12C 降解。

 

與大多數(shù)小分子抑制劑主要阻斷目標(biāo)酶的催化活性不同，PROTACs 旨在降解目標(biāo)蛋白。這種特性提供了優(yōu)勢的同時(shí)也有潛在的弊端，當(dāng)全身給藥時(shí)，它可能會(huì)導(dǎo)致正常細(xì)胞中的目標(biāo)蛋白不受控制的降解，產(chǎn)生非特異性毒性。而光控開關(guān) PROTACs 正是在 PROTAC 上添加一個(gè)可控的開關(guān)，使它在黑暗中無活性，特定波長的可見光下會(huì)被激活，降解目標(biāo)蛋白。因此，光控開關(guān) PROTACs 能夠在癌細(xì)胞或組織中激活，在時(shí)間和空間上精準(zhǔn)地控制靶向蛋白降解，消除潛在的非特異性毒性。

 

圖 3. opto-pomalidomide 以 UVA 依賴的方式

降解目標(biāo)蛋白模式圖^[10]

 

今年年初 Science Advances 上的兩篇背靠背文章，分別發(fā)表了關(guān)于光控的精準(zhǔn)時(shí)空激活的 PROTAC。其中哈佛醫(yī)學(xué)院和西奈山醫(yī)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了 opto-PROTACs。他們通過在泊馬度胺 (Pomalidomide) 上添加一個(gè)對光不穩(wěn)定的 Caging 基團(tuán)，暫時(shí)阻止 Pomalidomide 與 E3 連接酶 CRBN 的相互作用，之后利用紫外線 A (UVA) 照射，opto-pomalidomide 分子以時(shí)間依賴性方式進(jìn)行光解，從籠狀 (Caged) 狀態(tài)中解開，并成功介導(dǎo) IKZF1/3 降解。他們據(jù)此原理設(shè)計(jì)的光控 opto-dBET1 以及 opto-dALK 也都分別成功介導(dǎo)了 BRD 蛋白和 ALK 融合蛋白的降解 (圖 3)。

 

圖 4. PHOTAC 的示意圖

分子經(jīng)照射后在非活性形式 (藍(lán)色五邊形) 和

活性形式 (黃色星形) 之間切換^[11]

 

同樣的，紐約大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的靶向 BET 蛋白 (BRD2/3/4) 或 FKBP12 的光開關(guān) PHOTAC 分子，也證明了光控的精準(zhǔn)時(shí)空激活的有效性 (圖 4)。

 

■ 分子膠 (Molecular Glue)：

分子膠是一類誘導(dǎo)或穩(wěn)定蛋白之間相互作用的小分子化合物，通過結(jié)合 E3 泛素連接酶并修飾其分子表面，誘導(dǎo)新的蛋白質(zhì)間相互作用 (正常情況下兩者原先沒有相互作用)，并在連接酶的作用下，導(dǎo)致蛋白降解 (干貨 | 分子膠：改變蛋白-蛋白關(guān)系的時(shí)空開關(guān)) 。沙利度胺 (Thalidomide) 及類似物泊馬度胺 (Pomalidomide) 和來那度胺 (Lenalidomide) 是一類免疫調(diào)節(jié)類藥物 (IMiDs)，也是典型的分子膠，它們可對 CRBN 進(jìn)行修飾，形成新的蛋白間相互作用, 降解幾種鋅指轉(zhuǎn)錄因子，如形成 CRBN-IMiDs-IKZF1，隨后降解 IKZF1 (圖 5)。

 

圖 5. IMiDs 與 CRL4 E3 連接酶底物受體 CRBN 結(jié)合，

為泛素化和蛋白酶體降解募集底物^[12]

到目前為止，除 CRBN/IMiD 分子膠之外，分子膠的設(shè)計(jì)構(gòu)想仍依賴偶然的發(fā)現(xiàn)，包括通過系統(tǒng)地挖掘數(shù)據(jù)庫得到的 CDK 抑制劑 CR8 分子，以及優(yōu)化 MDM2 雙功能降解劑 MD-222 得到的  MG-277 。

 

■ 自噬介導(dǎo)的靶向蛋白質(zhì)降解 (AUTAC)：

 

自噬靶向嵌合體 (AUTAC)，顧名思義，是一種利用自噬機(jī)制的降解劑，能夠降解目標(biāo)蛋白以及受損的細(xì)胞器，例如受損的線粒體。AUTAC 由一個(gè)模仿 S-guanylation  (即，鳥嘌呤衍生物) 的降解標(biāo)簽和目標(biāo)蛋白配體通過 Linker 組成。S-guanylation 是一種翻譯后修飾，可通過誘導(dǎo) K63 多泛素化來標(biāo)記選擇性自噬的目標(biāo)蛋白。因此，目標(biāo)蛋白被自噬受體 SQSTM1/p62 識(shí)別，并被募集到選擇性自噬途徑進(jìn)行降解 (圖 6)。

 

圖 6. AUTAC 作用機(jī)制^[15]

 

■ TRIM-Away 技術(shù)：

 

Trim-Away，一種在細(xì)胞內(nèi)快速降解目標(biāo)蛋白的新技術(shù)。它利用內(nèi)源性泛素連接酶 TRIM21 識(shí)別抗體的 Fc 區(qū)來降解蛋白抗體復(fù)合物。TRIM21 是一種 E3 泛素連接酶，可與抗體的 Fc 結(jié)構(gòu)域高親和力結(jié)合。

在典型的 Trim-Away 中，蛋白質(zhì)降解可通過三個(gè)步驟完成：第一，引入靶向目標(biāo)蛋白質(zhì)的抗體；第二，將內(nèi)源或外源/過表達(dá)的 TRIM21 募集至抗體結(jié)合的目標(biāo)蛋白處；第三，蛋白酶體介導(dǎo)目標(biāo)蛋白，抗體和 TRIM21 復(fù)合物的降解 (圖 7)。

 

相比于 DNA 敲除和 RNA 干擾等方式破壞靶蛋白，Trim-Away 不需預(yù)先修飾基因組或 mRNA 即可急性降解內(nèi)源蛋白，而且 Trim-Away 在幾分鐘內(nèi)就能去除靶蛋白，這種快速性可以最大程度地減少補(bǔ)償機(jī)制以及繼發(fā)性等。

 

圖 7. TRIM-Away 機(jī)制圖^[5]

 

除上述提及到的靶向蛋白降解技術(shù)外，另外還有 BioPROTAC 靶向蛋白降解技術(shù)，它基于基因編碼直接將肽或抗體模擬物與 E3 連接酶融合，通過肽或蛋白識(shí)別域結(jié)合并降解目標(biāo)蛋白。由于 BioPROTAC 依賴于基因編碼，因此存在一定的局限性。

 

結(jié)語

靶向蛋白降解技術(shù)的前途十分光明。盡管靶向蛋白降解技術(shù)存在一些懸而未決的問題和挑戰(zhàn)，例如，如何改善 PROTAC 分子的整體藥代動(dòng)力學(xué)特性，S-guanylation 介導(dǎo)的 K63 泛素化的具體分子機(jī)制是怎樣的，能否利用 AUTAC 來降解 COVID-19 的關(guān)鍵蛋白等。但毫無疑問，靶向蛋白降解技術(shù)填補(bǔ)了靶向“不可藥物”蛋白的空白，并提供了基于藥物化學(xué)的新的治療途徑。同時(shí)，靶向蛋白降解技術(shù)一般是將小分子藥物設(shè)計(jì)成為一種新型的藥物，這無疑也為小分子藥物的用途提供了廣闊的思路。

 

相關(guān)產(chǎn)品

PROTACs

MCE 收錄了 100+ 種 PROTAC 降解劑以及各類 PROTAC 組分。PROTAC 降解劑：包括靶向 BET、STAT、MDM2、CDK、ER 、AR 等；PROTAC 組分包括 PEGs, Alkyl-Chain 和 Alkyl/ether 在內(nèi)的 2000+Linker, 多種 E3 連接酶配體以及 E3 連接酶配體-Linker 偶聯(lián)物，多種靶蛋白配體以及靶蛋白配體-Linker 偶聯(lián)物。

CR8/(R)-CR8

有效的 CDK 抑制劑。作為分子膠來降解細(xì)胞周期素 K。

MG-277

分子膠降解劑，有效地誘導(dǎo)翻譯終止因子 GSPT1 的降解，DC 50 為 1.3 nM。

Lenalidomide

Thalidomide 的衍生物，一種泛素 E3 連接酶 cereblon 的配體，可通過 CRBN-CRL4 泛素連接酶對兩種淋巴轉(zhuǎn)錄因子 IKZF1 和 IKZF3 進(jìn)行選擇性泛素化和降解。

Pomalidomide

第三代免疫調(diào)節(jié)劑，與 E3 連接酶 cereblon 相互作用，可誘導(dǎo) IKZF1 和 IKZF3 蛋白的降解。

Thalidomide

抑制 cereblon，Kd 約為 250 nM，具有免疫調(diào)節(jié)、抗炎、抗腫瘤作用。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究，我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)

 

縮寫：

TPD：Targeted protein degradation
CI-M6PR：Cation-independent mannose-6-phosphate receptor
POI：Protein of interest

參考文獻(xiàn) 

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.