新型靶向蛋白降解技術(shù)來襲！解讀TRIM21介導(dǎo)的多聚蛋白降解技術(shù)

       近日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院韓霆實驗室與黃牛實驗室針對現(xiàn)有的靶蛋白降解技術(shù)選擇性和應(yīng)用范圍方面的局限性，發(fā)現(xiàn)了基于TRIM21的分子膠并開發(fā)了基于TRIM21的PROTAC降解劑TrimTACs，選擇性降解生物分子凝聚體等多聚體蛋白（圖1）。

圖1. 基于TRIM21的分子膠和PROTAC的作用機(jī)制及應(yīng)用范圍

       傳統(tǒng)TPD技術(shù)的局限性

       傳統(tǒng)的靶蛋白降解技術(shù)主要包括分子膠型降解劑（MGs）和蛋白降解靶向嵌合體（PROTACs）技術(shù)（圖2），近年來，靶蛋白降解領(lǐng)域雖然取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些局限性。

       目前大多數(shù)分子膠降解劑都是偶然發(fā)現(xiàn)的，其研發(fā)缺乏系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計策略，發(fā)現(xiàn)過程具有較大的偶然性，難以有針對性地開發(fā)更多有效的分子膠用于治療不同疾病。雖然詳細(xì)的機(jī)制已經(jīng)被闡述，但新分子膠的藥代動力學(xué)（PK）/藥效動力學(xué)（PD）譜仍然是未知的，這限制了候選物的進(jìn)一步優(yōu)化。確定蛋白質(zhì)目標(biāo)的內(nèi)源性合成速率、降解劑的降解速率常數(shù)和PK特性對于分子膠降解劑的優(yōu)化非常重要。

       此外，分子膠誘導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（PPI）復(fù)合物的結(jié)合模型尚不夠清晰，給基于結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計帶來困難。

圖2. 分子膠型降解劑（MGs）和蛋白降解靶向嵌合體（PROTACs）技術(shù)

       當(dāng)前的TPD藥物主要依賴具有廣泛表達(dá)模式和組成活性的少數(shù)幾種E3連接酶，如CRBN或VHL，然而人類細(xì)胞中存在600多種E3連接酶（圖3），這種對少數(shù)E3連接酶的過度依賴，限制了TPD技術(shù)對不同疾病和靶蛋白的適用性。例如，一些細(xì)胞類型缺乏特定E3連接酶的表達(dá)，導(dǎo)致這些E3連接酶并非在所有疾病中普遍適用；VHL在某些惡性腫瘤中表達(dá)下調(diào)，限制了基于VHL的PROTACs在這種情況下的治療應(yīng)用。

       此外，每種E3連接酶都會帶來其獨特的挑戰(zhàn)，如VHL配體是天然VHL蛋白的拮抗劑，其應(yīng)用可能并不理想；CRBN配體可能會導(dǎo)致脫靶降解。

       因此，實現(xiàn)更高水平的E3選擇性至關(guān)重要，特別是對于在健康組織中具有基本功能的靶標(biāo)。PROTACs分子量相對較大，通常超過了傳統(tǒng)小分子藥物的大小，這可能會導(dǎo)致細(xì)胞滲透性和藥理特性較差，需要進(jìn)行廣泛的優(yōu)化，并且限制其臨床使用。

圖3. 泛素蛋白酶體系統(tǒng)和E3泛素連接酶分類

       多聚蛋白與疾病的關(guān)系

       大量研究表明異常蛋白縮聚與多種疾病有因果關(guān)系，如新發(fā)變性、自身免疫疾病以及癌癥等。在這些疾病狀態(tài)下，蛋白質(zhì)的正常聚合過程發(fā)生紊亂，形成異常的多聚蛋白結(jié)構(gòu)。例如，在神經(jīng)退行性疾病中，像阿爾茨海默病的標(biāo)志性病理特征β-淀粉樣蛋白斑塊和tau蛋白纏結(jié)，都是異常多聚蛋白聚集的結(jié)果。這些異常聚集物會干擾細(xì)胞的正常生理功能，導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡和神經(jīng)功能障礙。異常的多聚蛋白不僅自身會引發(fā)疾病，還會影響其正常對應(yīng)物所執(zhí)行的不可缺少的功能。正常的蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)通常參與各種重要的生理過程，如信號傳導(dǎo)、物質(zhì)運輸和細(xì)胞結(jié)構(gòu)維持等。然而，當(dāng)出現(xiàn)異常多聚蛋白時，它們可能會干擾這些正常蛋白質(zhì)的功能，進(jìn)一步加劇疾病的發(fā)展（圖5）。

圖4. 蛋白質(zhì)聚集與生物分子凝聚物的聯(lián)系

       盡管多聚蛋白與疾病的關(guān)聯(lián)明確，但在生物分子凝聚物中選擇性降解蛋白質(zhì)而不影響稀釋相中的蛋白質(zhì)在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性（圖4）。生物分子凝聚物是在亞細(xì)胞環(huán)境中富集特定蛋白質(zhì)和核酸的無膜組裝物，其內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，要實現(xiàn)對其中多聚蛋白的精準(zhǔn)降解，同時避免對其他正常蛋白質(zhì)的影響，是當(dāng)前研究面臨的難題。

圖5. 蛋白質(zhì)聚集由多個步驟組成，每個步驟都可以被生物分子凝聚物改變

       TRIM21作為一種E3泛素連接酶，其活性可通過與多聚體底物的相互作用而被激活，這為開發(fā)新型靶向蛋白降解（TPD）技術(shù)提供了機(jī)會。如果能夠利用這一特性，開發(fā)出有效的方法來選擇性降解多聚蛋白，將為治療相關(guān)疾病帶來新的希望。

       例如，在自身免疫性疾病中，通過降解引發(fā)自身免疫反應(yīng)的異常多聚蛋白，可能有助于調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的平衡，緩解疾病癥狀；在癌癥治療中，針對癌細(xì)胞中異常聚集的多聚蛋白進(jìn)行降解，或許能夠抑制癌細(xì)胞的生長和擴(kuò)散。

       多聚蛋白選擇性降解技術(shù)

       近日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院韓霆實驗室與黃牛實驗室針對現(xiàn)有的靶蛋白降解技術(shù)選擇性和應(yīng)用范圍方面的局限性，發(fā)現(xiàn)了基于TRIM21的分子膠并開發(fā)了基于TRIM21的PROTAC降解劑TrimTACs，選擇性降解生物分子凝聚體等多聚體蛋白。

       在這項研究中，研究人員提出了trim21介導(dǎo)的TPD作為誘導(dǎo)多聚蛋白選擇性降解的通用策略。通過結(jié)合基于表型的高通量篩選和隨后的靶標(biāo)反卷積，研究人員確定(S)-ACE

       OH是E3泛素連接酶TRIM21和核孔蛋白NUP98之間的分子膠型降解劑，導(dǎo)致NUP35、SMPD4和GLE1等多個核孔蛋白的降解（圖6）。

圖6. TRIM21通過識別NUP98被招募到核孔

       研究人員通過X射線晶體衍射分析了TRIM21與乙酰丙嗪及其代謝物復(fù)合物中PRYSPRY結(jié)構(gòu)域的共晶結(jié)構(gòu)，基于晶體結(jié)構(gòu)在TRIM21中發(fā)現(xiàn)了一個適合PROTAC功能化的可配體口袋?；诖?，他們設(shè)計了基于trim21的PROTACs（TrimTAC），與基于CRBN的PROTAC相比，TrimTAC不能降解單體蛋白，但能降解多聚體靶標(biāo)，同時保留了稀釋相中的非多聚體靶標(biāo)（圖7）。之后，研究人員利用TrimTAC實現(xiàn)了胞質(zhì)DNA誘導(dǎo)的cGAS聚集體的選擇性降解，為TrimTAC治療自身免疫性疾病提供了潛在應(yīng)用場景，這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了基于trim21的降解物消除通過異常多聚導(dǎo)致疾病的靶蛋白的潛力。

圖7. TrimTAC選擇性降解生物分子聚集物中的多聚蛋白

       結(jié)語

       該研究圍繞TRIM21在蛋白降解技術(shù)中的應(yīng)用展開，TRIM21相關(guān)技術(shù)如Trim - Away雖有應(yīng)用但存在局限，本研究為基于TRIM21的降解物提供了新方向。

       該研究中呈現(xiàn)了兩類基于TRIM21的降解物，包括MG降解劑和TrimTACs，可分別通過引導(dǎo)識別及雙功能作用實現(xiàn)對核孔復(fù)合物及生物分子凝聚物中多聚蛋白的選擇性降解，對多種疾病相關(guān)異常蛋白有潛在作用，包括病毒、淀粉樣蛋白聚集體、轉(zhuǎn)錄凝聚體、致癌融合蛋白以及免疫傳感器等，利用TRIM21的可配體口袋和其靈活性創(chuàng)造新的界面用于靶向其他致病蛋白是未來研究的一個有潛力的方向。

       但研究存在TRIM21、NUP98和（S）-ACE-OH三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)未解析等局限，未來應(yīng)聚焦于針對內(nèi)源性蛋白的TrimTACs研究以拓展治療應(yīng)用。

       參考文獻(xiàn)：

       ^{[1] Dale, Brandon et al. “Advancing targeted protein degradation for cancer therapy.” Nature reviews. Cancer vol. 21,10 (2021): 638-654. doi:10.1038/s41568-021-00365-x}

       ^{[2] Schapira, Matthieu et al. “Targeted protein degradation: expanding the toolbox.” Nature reviews. Drug discovery vol. 18,12 (2019): 949-963. doi:10.1038/s41573-019-0047-y}

       ^{[3] Visser, Brent S et al. “The role of biomolecular condensates in protein aggregation.” Nature reviews. Chemistry vol. 8,9 (2024): 686-700. doi:10.1038/s41570-024-00635-w}

       ^{[4] Lu, Panrui et al. “Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders.” Cell, S0092-8674(24)01197-8. 30 Oct. 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.10.015}