【Nautre子刊】新型E3泛素连接酶KLHDC2成功用于蛋白降解剂的开发

2024-03-26

蛋白降解靶向嵌合体

研究背景PROTAC是一种异双功能小分子，由E3连接酶的配体、靶蛋白结合配体和连接两者的连接体组成，促进靶蛋白和连接酶的相互作用，导致靶蛋白的泛素化及降解。虽然存在一些E3连接酶的小分子配体，但大多数降解化合物都是基于VHL和CRBN的配体，这些配体是Cullin-RING连接酶家族(CRLs)中特定E3连接酶的底物识别亚基。迄今为止，大约600个人类E3连接酶中只有少数被应用于TPD。增加TPD中使用的E3的数量将需要识别额外的E3连接的配体。探索除VHL和CRBN外的E3连接酶及其配体可以为TPD应用提供更多的化学选择。CRL包含人类E3连接酶的一个子集，包含约250种与Cullin支架偶联的底物连接蛋白组合，并且底物连接蛋白具有不同的结构和功能。CRL的一个子集在其羧基端消除具有特定氨基酸序列的蛋白质。其中，三种CRL2底物连接蛋白- KLHDC2, KLHDC3和KLHDC 10 -已被证明可以控制以甘氨酸残基结尾的蛋白质的降解。在一项研究中，测量了数千种带有不同C末端附属物的绿色荧光蛋白(GFP)标记蛋白质的稳定性，以甘氨酸结尾的C末端在驱动UPS介导的降解方面是最强的。可转移的降解促进序列称为降解子，具有临界C端残基的序列称为C端降解子。在识别甘氨酸末端C端降解的三个CRL中，对CRL2KLHDC2的研究最为详细。CRL2KLHDC2的最佳底物位于二甘氨酸基序中，在某些情况下，二甘氨酸基序是由蛋白质的内部蛋白水解裂解产生的在二甘氨酸末端底物肽存在的情况下，KLHDC2底物结合kelch结构域(KLHDC2KD)的高分辨率晶体结构已经被确定，提供了C端降解识别的原子水平细节。因此，CRL2KLHDC2是一种E3连接酶，可以驱动其底物蛋白的快速降解，并且具有良好的底物识别袋，使其成为TPD的一个有吸引力的潜在选择。 KLHDC2靶向小分子的发现利用计算机辅助药物设计(CADD)，著名的靶向蛋白降解药物研发公司Arvinas研究团队从KLHDC2KD与其同源C端底物SelK结合的可用晶体结构开始，SelK由其C端甘氨酸残基锚定(PDB：6DO3)。SelK肽的末端甘氨酸(Gly91)被保留，因为它与底物口袋结合最深，并与Ser269、Arg241和Arg236形成四个氢键(H键，黄色虚线)，而Gly90则被吡啶酮环取代(图1a，步骤1)。吡啶酮环从顶面和底面与Arg236和Lys147形成π-阳离子键，并模仿Gly90的羰基与Trp191形成氢键(图1a，步骤1)。添加了一个萘环后，该环与Lys147形成氢键，以加强π-阳离子与吡啶酮环的相互作用(图1A，步骤2)。大基团的萘甲酮环在两个环系之间实施了非平面构象，分别将KDRLKZ-1和KDRLKZ-2的仲丁基或异丁基引导到由Tyr50、Leu342、Leu343、Trp321和Trp370组成的疏水口袋中(图1a，步骤3)，同时将连接物氨基甲酸酯放置在Arg236附近形成临时氢键，并将连接子从口袋中引导到泛素的区域(图1a，步骤4)。作者依靠从头设计和化合物合成的循环来进一步优化这些新的小分子，并使用表面等离子体共振(SPR)的直接结合实验的连续迭代循环来生成数据，为配体优化提供信息。通过AlphaLISA置换试验测定化合物取代SelK多肽的能力。这最终导致了一系列小分子配体的发现，这些小分子配体有效地与KLHDC2KD结合(图1a-i)。为了评估新发现的KLHDC2小分子配体的特异性(图1b)，作者使用AlphaLISA检测了靶向VHL的小分子VH298和KLHDC2配体是否会相互影响，结果表明KLHDC2配体能够特异性结合（图1c，d）。SPR也测试了KDRLKZ-1与KLHDC2KD的直接结合，显示出1:1的结合模式(图1e)。SPR结果显示KDRLKZ-1与KLHDC2KD的结合Kd为0.36 μM，热移实验显示KDRLKZ-1与KLHDC2KD的结合Kd为+6.8℃, AlphaLISA和时间分辨荧光共振能量转移(TR-FRET)实验显示KDRLKZ-1取代SelK肽的半最大抑制浓度(IC50)分别为0.21 μM和0.31μM。用酰胺取代KDRLKZ-1的羧基会导致结合减少，这与C端肽与KLHDC2的结合模式一致。羧基被酰胺取代的化合物将被称为“E3 dead”化合物(如KDRLKZ-3，如图1b所示)，它们不再与KLHDC2结合。 KDRLKZ-1在KLHDC2KD底物结合口袋中的结合位置通过共晶结构得到证实(图1g-i)。如图所示，KDRLKZ-1填充KLHDC2底物结合袋，并进行类似于天然底物的相互作用，其C端与SelK的C端几乎重合(图1h)。正如作者最初对KDRLKZ-1的从头CADD模型预测的那样，羧酸与KLHDC2形成4个氢键或盐桥作用;吡啶酮与Trp191形成氢键，并与Arg236和Lys147分别从上、下两个面发生π-阳离子相互作用;萘啶酮环在空间上强制形成非平面构象，引导羰基与Lys147形成氢键，并将正丁基置于疏水口袋中;连接链氨基甲酸酯位于Arg236附近并指向口袋外(图1i)。为了进一步表征KLHDC2配体，作者纯化了全长KLHDC2 E3连接酶及其同源接头蛋白EloB和EloC(该复合物以下简称KBC)，并使用天然底物(用菁5荧光团标记的USP1肽)进行了泛素化实验。作者确定了USP1泛素化依赖于KLHDC2，并发现过量的底物以及小分子配体KDRLKZ-1可以与USP1竞争KLHDC2的泛素化。这些实验证明纯化的KBC具有活性，并且可以与KLHDC2靶向的小分子结合。图1KLHDC2配体结合能力研究为了测试新的KLHDC2配体在被合成为双功能分子时与KLHDC2结合的能力，作者通过与琼脂糖珠上固定配体的相互作用促进KLHDC2的下拉，使用HiBiT信号进行量化。开发了类似的测定VHL与其配体相互作用的方法。对于VHL和KLHDC2，携带靶向各自连接酶的特定探针的微球的HiBiT信号明显高于单独与生物素偶联的微球(图2a)。此外，生物素标记的KLHDC2-配体探针可以与细胞提取物中的内源性KLHDC2结合(图2B)，这种相互作用可以被多余的配体竞争性地抑制。以JQ1作为靶蛋白结合配体，作者用KLHDC2配体的活性和E3-死亡版本(图2C)生成了一系列KLHDC2-BRD4 PROTAC分子(图2c-e)，并通过SPR测试了它们形成三元络合物的能力(图2d，e)。在我们的三元络合物SPR实验中，我们在SPR芯片上固定了BRD4上的His标记的溴域，并在没有或存在GST标记的KLHDC2KD的情况下展示了KLHDC2-BRD4 PROTAC分子。一个PROTAC分子K2-B4-3显示出很强的三元络合物形成(图2D)。三元复合体的形成效率取决于KLHDC2的招募，因为E3-Dead版本K2-B4-3D不形成三元复合体。图2基于KLHDC2的PROTAC在细胞中的降解能力在设计了可以诱导BRD4BD2和KLHDC2KD形成三元复合物的PROTACs之后，作者接下来测试了这些PROTACs是否可以驱动细胞中BRD4的有效降解。BRD4水平由添加到内源性BRD4中的氨基末端HiBiT标签表征。KLHDC2-BRD4 PROTAC分子由两种连接类型和三种KLHDC2配体生成 (图3a)，并将羧基改为甲酯基团作为前药，甲酯在进入细胞后会被细胞酯酶加工后转化为羧酸，并且酯基团比羧酸基团有更好的细胞渗透性。酰胺基PROTAC分子被设计为E3-dead阴性对照。含有甲酯KLHDC2配体的KLHDC2-BRD4 PROTAC分子能够快速有效地降解HiBiT-BRD4，在4-6小时内降低93%(图3b,c)。带有酸基团的PROTAC也能降解HiBiT-BRD4，但不如含酯分子(6小时降解动力学如图3d所示)。根据SPR数据(图2)，非PEG连接子对BRD4的降解效率更高。正如预期的那样，具有酰胺基团的PROTAC分子在HiBiT-BRD4检测中几乎没有活性(图3d)。为了证实观察到的BRD4降解依赖于UPS，作者观察了使用蛋白酶体抑制剂MG-132和类泛素化抑制剂MLN4924后HiBiT-BRD4水平。结果表明，这两种UPS抑制剂都可以抑制在K2-B4-5e存在时观察到的荧光减少(图3e)。为了测试KLHDC2 - BRD4 PROTAC分子的活性是否依赖于KLHDC2，作者使用干扰RNA (siRNA)敲除KLHDC2，发现这完全阻断了K2-B4-5e诱导的HiBiT-BRD4降解(图3f)。作为对照，敲除不相关E3连接酶DCAF16对KLHDC2介导的BRD4降解没有影响(图3f)。在该研究中，作者发现KLHDC2-BRD4 PROTAC分子对细胞系中BRD2和BRD3也有降解效果(图3g)，这个结果与其他使用JQ1作为靶蛋白配体、基于CRBN或VHL的PROTAC表现一致。与BRD4的情况一样，K2-B4-5e对BRD2的降解在敲除KLHDC2后完全阻断(图3g)，但敲除DCAF16没有影响。为了扩大基于KLHDC2的PROTAC降解底物的范围，作者合成了基于KLHDC2，靶向雄激素受体(AR)的PROTAC分子，如K2-AR-1(图3h)。与BET家族蛋白类似，AR的降解也依赖于UPS和KLHDC2 (图3i，j)。图3KLHDC2-EloB-EloC E3连接酶复合体是一种动态的低聚体在纯化全长KBC E3连接酶(KLHDC2与EloB和EloC的复合体)的过程中，作者观察到KBC从尺寸排除色谱柱中洗脱出来的尺寸大于其预期的分子量。KBC络合物的分析尺寸排除层析显示了一个主要峰，其洗脱曲线与分子量约为200kDa的络合物一致(图4a，灰色痕迹，图4b，顶部凝胶)。尽管在一些底物连接蛋白的重组制剂中发现了底物的共纯化，但SDS-PAGE和LC-MS分析表明KBC复合体没有受到污染的迹象。基质辅助激光解吸电离(MALDI)分析表明，样品中存在一到四个KBC络合物的混合物。值得注意的是，KBC与其底物SelK肽孵育后，洗脱图谱发生了变化。在分析尺寸排除色谱实验中观察到的这种变化是浓度依赖的，SelK导致KBC的洗脱向右移动。KBC-SELK肽复合体的右移洗脱图谱与预期的分子量匹配，与一个KBC复合体一致(图4a，蓝色痕迹，图4b，底部凝胶)。在MALDI实验中，作者也观察到KBC-SelK肽复合体的质量图谱发生了变化。对于以上现象，作者提出了一个假设，即KBC复合体是一种动态的低聚物，受到底物结合到其KLHDC2KD口袋中的影响。由于KLHDC2是一种E3连接酶，它识别C-末端的GlyGly-End肽作为底物，作者想知道它自己的C-末端(终止于GlySer)是否参与了这种动态复合体的形成。在AlphaLISA置换试验中，来自KLHDC2 C-末端的短肽可以取代底物SELK(图4c)，尽管亲和力较低(图4d)。与它们较弱的结合亲和力一致，将这些肽与KBC孵育会导致KBC寡聚体的部分解离(图4e)。接下来，作者试图了解KLHDC2KD与其反式C-端肽形成的复合体的结构。KLHDC2 C端肽与KLHDC2KD络合物的共晶结构表明，其结合模式与其天然底物SelK的结合模式相同(图4f)。如图所示，Trp270为了适应Ser406的额外原子而略有移动，但与Arg236的关键相互作用被保留了下来。综上所述，根据作者对KBC复合体动力学的生化特征研究，KLHDC2以高阶低聚状态存在，这种状态可以通过占据其底物结合口袋来调节，比如通过它自己的C-末端。图4Cryo-EM显示KLHDC2-EloB-EloC复合物是一个四聚体为了更详细地定义低聚KBC物种的性质，作者对化学交联的KBC复合物进行了单粒子冷冻电镜（single-particle cryo-EM）分析。KBC复合物的单粒子分析和cryoSPARC的初始模型生成显示了异质性KBC复合物，但大多数颗粒是KBC四聚体。四聚体复合物的三维(3D)变异分析在cryoSPARC中产生了四个密度不同的EloBC亚基类别。对密度最完整的一小部分粒子的进一步细化表明，KBC 分子的对称排列是二聚体的二聚。因此，作者将C2对称性应用于非均匀细化（non-uniform refinement），以获得最终分辨率为3.8Å的全长KBC复合体的3D重建(图5a)。对称复合体的一半由两个KBC亚复合体组成；作者将一个原型染成紫色并将其命名为KLHDC21，将另一个染成橙色并将其命名为KLHDC22。在每个亚复合体中，KLHDC2是饱和的，而相应的EloB和EloC结合配对以较浅的颜色着色(图5a)。KLHDC2、EloB和EloC的kelch结构域在图中被明确地建模，并且在连续kelch结构域的界面处存在额外的密度，在那里它们与EloB和EloC相互作用。非对称KBC单元的叠加表明，KLHDC2与EloB和EloC的BC-box结合是由KLHDC2的Leu364、Ser366和Val372介导的。虽然BC boxes重叠，但KLHDC2的C-末端的其余部分没有重叠。C-末端的剩余部分对应于KLHDC2预测的Cullin box。如图7b所示，在四聚体中，只有紫色的KLHDC21 Cullin盒被正确定位以与CUL2相互作用，而KLHDC22 Cullin盒则没有。通过分析尺寸排除色谱，我们发现CUL2可以与KBC形成配合物(扩展数据图7c)。我们的模型进一步表明，连续KLHDC2分子之间的相互作用是由KLHDC21的N和C末端介导的。首先，KLHDC21的残基400-406与KLHDC22的底物结合位点结合介导了一组相互作用(图5b)。这些相互作用与上述晶体结构中观察到的与C端肽的相互作用非常相似。其次，BC boxes和Cullin boxes中KLHDC21的C端残基也与KLHDC22相互作用(图5b，插图)。KLHDC21的Lys376在KLHDC22的主链上与Asn184形成氢键;KLHDC21的Glu377与KLHDC22的His345形成氢键;KLHDC21的Phe375与KLHDC22的Leu58形成疏水相互作用。另外，作者观察到KLHDC21的N端残基向KLHDC22延伸，尽管在这个分辨率下很难解释具体的相互作用。作者没有看到KLHDC21和KLHDC22的kelch结构域之间有任何特定的相互作用。沿着KBC原蛋白的daisy chain，KLHDC22和KLHDC21'之间的许多相互作用是明显的。KLHDC22的C端被重新排列，以“打开”BC和Cullin盒子，它们围绕EloC2套圈，使KLHDC21'和EloC2接近(图5c)。KLHDC22的残基363-397组成了这个套索，作者已经在图中粗略地建模了(图5c，插图)，但该分辨率不足以最终描述该区域的大多数相互作用。然而，很明显，在这个套索的最后，KLHDC22的400-406残基结合到KLHDC21'的底物结合口袋中。KLHDC22和KLHDC21'的kelch结构域之间也存在显著的相互作用。其中一个片段由KLHDC21'的Glu179、Thr180和Trp183以及KLHDC22的74-77个残基介导。第二个片段由KLHDC21'的His346和Arg347以及KLHDC22的Asp127介导(图5c，插图)。作者的低温电镜模型和生化数据表明，KLHDC2四聚体通过低亲和力相互作用结合在一起，这种低亲和力相互作用是由KLHDC2蛋白的C端与邻近底物结合袋结合介导的。高亲和力底物被认为取代了KLHDC2 C末端，从而将低聚物分解成较小的二聚体和单体。与它们作为高亲和力KLHDC2配体的属性一致，作者合成的KLHDC2靶向小分子系列也能够调节KBC四聚体动力学，正如通过分析尺寸排除色谱法测量的它们解离KBC四聚体的能力所示(图5d)。通过SPR动力学测量，具有较长半衰期的KLHDC2配体倾向于诱导更明显的四聚体解离(图5d)。总的来说，作者的数据与KBC通过其自身的C端结合在一起的模型是一致的，底物和小分子(配体或PROTACs)必须能够单独与KLHDC2底物结合口袋来破坏四聚体并诱导形成二聚体或单体，最终诱导生成与CRL2复合物结合的活性形式(图5e)。图5总结本研究发现了靶向KLHDC2的高亲和力小分子，这些小分子可用于TPD，不仅展示了KLHDC2如何被小分子所靶向，还描述了KLHDC2的动态组装，并证实了其四聚体的形式。此外，本研究描述的非共价小分子和PROTAC降解剂代表了第一个靶向C-末端的E3连接酶底物结合口袋并将其劫持为TPD的例子。最后，引入了小分子工具，这些工具将使未来能够对C-末端降解连接酶的生物学和机制进行研究。作者：章建涛校审：周金明编辑：郑一榕时间：2024年3月23日原文连接：Nat Struct Mol Biol. 2024，31(2):311-322. doi: 10.1038/s41594-023-01146-w. https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41594-023-01146-w#Abs1 声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手觉得本文好看，请点这里↓