Mol Cell丨叶海峰团队开发可编程的新型靶蛋白降解平台

2024-03-23

蛋白降解靶向嵌合体

点评 | 王平（同济大学）、胡荣贵（中科院上海生命科学研究院）在生物化学研究和现代药物开发领域，靶向蛋白质降解（Targeted Protein Degradation, TPD）技术不仅为调控生物体内特定蛋白质的活性和丰度提供全新的研究手段，而且通过利用细胞自身的蛋白质降解机制来识别并降解疾病相关的靶蛋白，为癌症和神经退行性疾病等多种疾病治疗提供了新的治疗策略【1,2】。目前，TPD技术主要以小分子降解剂（PROTACs）或降解子系统（Degron）为主，这些技术虽然能够有效降解靶蛋白，但它们也面临一些挑战：例如PROTACs技术面临药物筛选流程的复杂性、构建可控PROTACs必须进行的化学基团修饰引起分子量增加，以及潜在的药物毒性问题。另外，Degron系统需要对靶蛋白进行特定的预先修饰，这极大地限制了靶向内源蛋白质降解技术在生物医学领域的广泛应用。针对上述问题，2024年3月12日，华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室、医学合成生物学研究中心研究员叶海峰团队在Molecular Cell杂志上发表题目为 A programmable targeted protein degradation platform for versatile applications in mammalian cells and mice的研究论文。文中，他们报道了一种精准可控的模块化靶向蛋白降解系统(ΔTrim-TPD)。基于Trim-Away技术，该团队首先通过筛选获得了一种降解效率高达80%-90%的E3泛素连接酶Trim21截断变体(ΔTrim21)，随后开发了一系列基于ΔTrim21的可控靶向蛋白降解系统，实现化学小分子、光调控细胞和小鼠体内的靶向蛋白质降解。ΔTrim-TPD系统的设计灵感来自于Trim-Away技术。Trim-Away 技术通过E3泛素连接酶TRIM21识别并与与抗体的 Fc 区域相结合，随后将与抗体结合的蛋白质传递到了蛋白酶体进行降解【3】。此技术的优势在于只需引入外源抗体和E3效应蛋白（Trim21），无需对目标蛋白进行任何修饰。特异性的抗原-抗体结合降低了非目标效应的风险。另外，Trim-Away技术可以借助已有的抗体库来实现针对多种目标蛋白的快速降解。基于Trim-Away技术原理，叶海峰团队通过筛选获得了一种缺乏B-box结构域的Trim21截断体 (ΔTrim21)，与野生型Trim21 (wtTrim21) 相比，其降解效率从20-30%提高至80-90%。在ΔTrim21的基础上，团队进一步开发出三种精准可控的靶向蛋白降解系统，包括红光调控的靶向蛋白降解系统（RedΔTrim-TPD），化学小分子调控的靶向蛋白降解系统（ChemΔ2Trim-TPD）和蓝光调控的靶向蛋白降解系统（OptoΔ2Trim-TPD）。经实验证明，这些系统能够在细胞和小鼠体内通过无毒性的光或临床药物小分子诱导触发靶蛋白质的降解 (图1)。图1 ΔTrim-TPD系统的设计及其应用研究团队利用课题组前期开发的红光诱导REDMAP系统【4】调控ΔTrim21的表达，进而开发了红光调控的靶向蛋白降解系统—RedΔTrim-TPD。通过将RedΔTrim-TPD转染到已感染HSV-1-GFP病毒的HEK-293T细胞中，研究表明红光触发降解系统在12 h内降解病毒包装蛋白gD以抑制HSV-1病毒增殖。接着，为了实现对靶蛋白进行分钟级别的快速降解，研究人员开发了化学诱导的蛋白降解系统 (ChemΔ2Trim-TPD)。通过对抗体和ΔTrim21蛋白的结构进行优化，研究人员将去除Fc片段的抗体（ΔAb）和删除PRYSPRY结构域的ΔTrim21蛋白（Δ2Trim21）与小分子诱导的二聚化蛋白进行融合表达。选用的小分子诱导二聚化蛋白包括(1)ABI/PYL1，可由一种无毒且低成本的植物激素ABA诱导; (2) NS3a/GNCR1，由临床批准的抗病毒药物grazoprevir (GZV)诱导; (3) NS3a/DNCR2，由临床批准的抗病毒药物danoprevir (DNV) 诱导。当ABA、GZV或DNV存在时，ChemΔ2Trim-TPD便可组装成ΔAb-Δ2Trim21复合体在30分钟内实现靶蛋白的降解。在验证ChemΔ2Trim-TPD系统的概念之后，研究人员下一步将其应用于基因编辑的精准控制。他们设计构建了三种ChemΔ2Trim-TPD介导的CRISPR-（d）Cas9系统，分别为：GZV依赖的转录抑制(ChemΔ2Trim-TPDi)、转录去抑制(ChemΔ2Trim-TPDdisi)以及基因删除(ChemΔ2Trim-TPDdel)系统。通过对CRISPR-(d)Cas9系统相关蛋白的可控式降解，研究人员实现了临床级小分子药物调控的基因表观修饰和基因编辑。然后，研究人员利用Magnets 系统设计构建了蓝光调控的靶蛋白降解系统（OptoΔ2Trim-TPD），该系统可以在30分钟内实现对于不同半衰期（从10分钟到5天）、不同分子量（从21 kDa到185 kDa）靶蛋白的快速降解。OptoΔ2Trim-TPD通过蓝光控制实现了对肿瘤相关蛋白的降解，并呈现出光照时间、光照强度依赖性的靶蛋白降解动力学特征。最后，研究人员通过慢病毒递送OptoΔ2Trim-TPD系统至小鼠黑色素瘤，实现了小鼠只需每天照30分钟蓝光，即可在肿瘤细胞中诱导靶蛋白(膜蛋白PD-L1和致癌转录因子c-Myc)的降解，有效抑制肿瘤生长，显著延长小鼠生存期。综上，研究人员开发的基于ΔTrim21的可控靶向蛋白质降解系统进一步拓展了蛋白质降解领域的研究，提供了一种快速、高效、可控的胞内蛋白和跨膜蛋白靶向降解手段，为细胞生物学基础研究提供了强大的工具，并有望推进基因和细胞的精准治疗。封面图展示了蛋白降解三聚体的形成，包括E3泛素连接酶ΔTRIM21模块，纳米抗体模块和靶蛋白。当受外部光照射时，ΔTRIM21模块与纳米体模块相互作用，促进与目标蛋白质的结合，然后复合物进入蛋白酶体进行目标蛋白降解。该论文的通讯作者为华东师范大学生命科学学院叶海峰研究员。博士研究生马小丁和博士后尹剑丽为该论文的共同第一作者。专家点评王平（同济大学医学院，教授）在现代生物医药研究领域，靶向蛋白质降解（TPD）技术作为一种创新的药物开发策略，旨在通过操控细胞内固有的降解路径，精确调节特定蛋白质的活性及其在生物体内的丰度。TPD技术因其在治疗多种疾病，包括恶性肿瘤和神经退行性疾病等方面显示出的巨大潜力而受到关注。然而，目前广泛使用的蛋白降解系统，如PROTACs，存在着一系列挑战，包括药物筛选流程的复杂性、构建可控PROTACs进行必要的化学基团修饰导致的分子量增加和潜在的药物毒性问题，以及基于降解子（Degron）的蛋白降解系统需要对靶标蛋白进行预先修饰，这些都限制了TPD技术的广泛应用。为了克服这些挑战，叶海峰团队开发了一种基于Trim-Away技术的新型靶蛋白降解系统，称为ΔTrim-TPD。与原始的Trim-Away技术相比，ΔTrim-TPD可使靶蛋白降解效率从~30%提升至80%-90%，并且该系统展现了在不同类型细胞、对不同种类蛋白（也包括不同半衰期蛋白）都具有良好的降解效果。其次，ΔTrim-TPD系统通过使用特异性抗体直接识别并降解目标蛋白，避免了对靶蛋白的直接修饰，显著降低了非特异性降解（即脱靶效应）的风险。该团队还开发了多个可控式靶蛋白降解系统，包括RedΔTrim-TPD、ChemΔ2Trim-TPD和OptoΔ2Trim-TPD，这些系统通过不同的信号（如化学小分子、红光、蓝光）触发靶蛋白降解，展示了TPD技术的高度可控性和灵活性。特别值得一提的是，OptoΔ2Trim-TPD在小鼠肿瘤模型中的应用，通过局部光照激活肿瘤相关靶蛋白的高效、快速（只需每天光照15分钟）降解，验证了其系统在抑制肿瘤生长方面的潜力。综上，这些系统的开发不仅为研究蛋白质功能和疾病机制提供了强大的新工具，而且为基于TPD的精准治疗策略的实现奠定了基础。专家点评胡荣贵（中科院上海生命科学研究院，研究员）靶向蛋白质降解（TPD）技术在现代药物开发和生物化学研究中已显露其革命性的潜力，特别是在治疗癌症和神经退行性疾病方面。然而，这一领域还面临着一系列挑战，包括确保靶向性和减少不良反应等挑战。最近，华东师范大学生命科学学院叶海峰团队在Molecular Cell杂志上发表的研究论文，提出了一种名为ΔTrim-TPD的新型靶向蛋白质降解系统。该系统基于Trim-Away技术，通过筛选E3泛素酶Trim21的截断变体（ΔTrim21）来实现对靶蛋白的精准可控高效降解。研究团队还开发了多个基于ΔTrim21的靶向蛋白质降解系统，实现了化学和光触发的可编程蛋白降解，在细胞和动物模型中都显示出了高效的降解效率。该研究不仅展示了ΔTrim-TPD系统的高效性和可控性，还突破了传统TPD技术在选择性，精确性和靶蛋白修饰上的限制。通过开发基于化学小分子、红光和蓝光的三种不同的调控方式，他们为靶向蛋白降解技术提供了更多的应用可能性。首先，他们开发的红光触发降解系统在12 h内降解病毒包装蛋白，成功抑制了HSV-1病毒增殖。接着，他们开发了小分子、蓝光触发的模块化蛋白降解系统，实现了分钟诱导蛋白降解的启动：30分钟的诱导就可以实现靶蛋白的最大降解效果（80%-90%）。此外，他们的降解系统可以降解不同半衰期（从10分钟到5天）以及不同蛋白大小（从21 kDa到185 kDa）的各种蛋白，并具有诱导时间、强度依赖性。这些数据展示了这项技术的可控性和灵活性。这些技术的应用不仅在控制基因编辑和减少脱靶效应方面展示了潜力，在小鼠肿瘤模型的实验中，通过对肿瘤区域进行短暂的日常光照，还实现了肿瘤相关蛋白（PDL-1, c-Myc）的迅速且高效降解，从而证实了该系统在抑制肿瘤方面的有效性。这些创新不仅提高了TPD技术的实用性，也为药物开发和疾病治疗提供了新的策略。叶海峰团队的研究拓宽了TPD技术在精准靶向治疗方面的应用，为生物医学研究及治疗策略的未来发展提供了新的思路。然而，尽管这项技术带来希望，其在实际应用中的成本、组织靶向性及长期安全性等挑战仍需进一步研究和克服。原文链接：https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/molecular-cell/abstract/S1097-2765(24)00138-2制版人：十一参考文献1 Dale, B. et al. 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