Nature | 諾獎得主David Baker 教授突破性研究！AI賦能靶向蛋白質(zhì)降解

       2024年10月9日，蛋白質(zhì)設(shè)計先驅(qū) David Baker 教授與AlphaFold開發(fā)者 Demis Hassabis、John Jumpe 共同獲得了2024年諾貝爾化學(xué)獎，表彰他們在"計算蛋白質(zhì)設(shè)計"領(lǐng)域和"蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測"方面的突破。

       2024年9月25日，David Baker課題組和Carolyn Bertozzi教授團(tuán)隊在nature期刊上發(fā)表了題為"Designed endocytosis-inducing proteins degrade targets and amplify signals"的文章，該研究提出了一種新型的靶向蛋白降解模式--蛋白LYTAC（pLYTAC），這項技術(shù)結(jié)合AI，在靶點特征基礎(chǔ)上從頭設(shè)計與之結(jié)合的全新蛋白質(zhì)，為多種難治疾病的精確治療開辟了新的可能性。

       1、靶向蛋白降解的挑戰(zhàn)

       靶向蛋白質(zhì)降解是一種前景廣闊的策略，用于治療由有害蛋白質(zhì)引發(fā)的疾病。此方法通過內(nèi)源性配體觸發(fā)細(xì)胞表面受體的內(nèi)吞作用和溶酶體轉(zhuǎn)運，采用如溶酶體靶向嵌合蛋白（LYTACs）和細(xì)胞因子受體靶向嵌合蛋白（KineTACs）等手段，通過與修飾的天然配體融合，精確靶向特定蛋白的降解（圖1）。然而，這些方法面臨一些挑戰(zhàn)，首先，與天然配體的競爭可能降低靶向效率；其次，對化學(xué)修飾的依賴限制了其遺傳可編碼性，使得大規(guī)模應(yīng)用受限；此外，缺乏能夠有效誘導(dǎo)內(nèi)吞作用的天然配體進(jìn)一步縮小了適用范圍。這些因素共同影響了靶向蛋白降解技術(shù)的廣泛應(yīng)用和臨床轉(zhuǎn)化。針對這些挑戰(zhàn)，David Baker課題組和Carolyn Bertozzi教授團(tuán)隊提出了一種新型的靶向蛋白降解模式--蛋白LYTAC（pLYTAC），這項技術(shù)可以從活細(xì)胞中消除各種疾病相關(guān)的分子靶點，為多種難治疾病的精確治療開辟了新的可能性。

圖1.LYTAC和KineTAC作用機(jī)制示意圖

       2、引入EndoTags

       研究人員利用先進(jìn)的計算方法開發(fā)了一種名為胞吞觸發(fā)結(jié)合蛋白（EndoTags）的合成蛋白，它能夠特異性結(jié)合參與內(nèi)吞作用的細(xì)胞表面受體，從而促進(jìn)內(nèi)吞過程。這些EndoTags的設(shè)計無需復(fù)雜的化學(xué)修飾，且可通過基因編碼實現(xiàn)。通過將EndoTags附加到識別并結(jié)合疾病相關(guān)靶標(biāo)的其他蛋白上，研究人員創(chuàng)建了基于蛋白質(zhì)的溶酶體靶向嵌合體（pLYTAC），能夠有效將不需要的蛋白質(zhì)導(dǎo)向溶酶體進(jìn)行降解。例如，在針對表皮生長因子受體（EGFR）的研究中，pLYTAC與EGFR結(jié)合域的結(jié)合顯著降低了EGFR水平，效果優(yōu)于現(xiàn)有方法。此外，在針對程序性死亡配體1（PD-L1）的研究中，在小鼠腫瘤模型中，與單獨抗體相比，與PD-L1抗體融合的EndoTag顯著提高了療效（圖2）。作為基因編碼蛋白技術(shù)，EndoTags和pLYTACs可通過治療性mRNA或基因治療方式傳遞，并因其設(shè)計與特定受體結(jié)合而不干擾天然配體，從而降低脫靶效應(yīng)的風(fēng)險。

圖2.組織特異性pLYTAC的表面受體降解

       3、技術(shù)突破與設(shè)計策略

       研究人員為不同機(jī)制和組織分布的受體定制設(shè)計EndoTags。針對組成循環(huán)受體（如Sortilin和Transferrin受體），研究人員設(shè)計了與其非重疊位點結(jié)合的內(nèi)標(biāo)簽，以避免與天然配體競爭，從而劫持內(nèi)吞途徑，實現(xiàn)目標(biāo)蛋白的內(nèi)化和降解。在設(shè)計過程中，他們利用Rosetta 從頭預(yù)測蛋白結(jié)構(gòu)，定位Sortilin和Transferrin受體上遠(yuǎn)離天然配體結(jié)合位點的表位，生成數(shù)千種候選結(jié)合物，并通過實驗篩選其親和力和特異性。對于需要構(gòu)象變化的受體（如胰島素樣生長因子2受體，IGF-2R），研究人員設(shè)計了能夠與其兩個不同結(jié)構(gòu)域結(jié)合的EndoTags，以誘導(dǎo)必要的結(jié)構(gòu)重排并觸發(fā)內(nèi)化。這一過程涉及開發(fā)粘合劑并將其融合為一個單一分子，以橋接兩個結(jié)構(gòu)域，需精確建?？臻g方向與結(jié)合域之間的靈活性。最后，對于聚類觸發(fā)的受體（如非唾液酸糖蛋白受體，ASGPR），研究人員通過連接多個結(jié)合域創(chuàng)建了多價EndoTags，以促進(jìn)結(jié)合后的受體聚集，此設(shè)計通過組裝成二聚體或三聚體的形式增強了結(jié)合能力，有效誘導(dǎo)受體的聚集與內(nèi)化（圖3）。

圖3.內(nèi)吞觸發(fā)EndoTags的設(shè)計策略

       4、邏輯門控系統(tǒng)的精確瞄準(zhǔn)

       在這項研究中，研究人員創(chuàng)新性地將多個EndoTags與之前報道的邏輯門控開關(guān)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一種僅在特定條件下誘導(dǎo)降解的邏輯門控pLYTAC。這一設(shè)計使得pLYTAC能夠在HER2在同一細(xì)胞表面表達(dá)時，專門誘導(dǎo)EGFR的降解，從而顯著增強了靶向蛋白降解的細(xì)胞精確定位（圖4）。EndoTags的模塊化特性及其遺傳可編碼性，使得邏輯門控pLYTAC能夠?qū)崿F(xiàn)更高的特異性靶向降解，同時促進(jìn)從工程細(xì)胞中局部分泌降解物的過程。此外，通過促進(jìn)內(nèi)吞作用，EndoTag的融合利用工程配體受體系統(tǒng)顯著提高了近100倍的信號傳導(dǎo)能力。這一機(jī)制不僅使EndoTags在靶向降解誘導(dǎo)中展現(xiàn)出強大的能力，還使其成為內(nèi)吞依賴途徑的信號激活劑。此外，EndoTags還能夠作為靶向抗體藥物和抗體RNA偶聯(lián)物的細(xì)胞攝取誘導(dǎo)劑，展現(xiàn)出相當(dāng)大的治療潛力。這種策略為靶向蛋白降解和相關(guān)治療提供了新的思路，可能為未來的精準(zhǔn)醫(yī)療帶來重要的應(yīng)用前景。

圖4.邏輯門控靶向降解和局部分泌降解

       5、結(jié)論與展望

       在這項研究中，研究人員展示了利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在靶點特征基礎(chǔ)上從頭設(shè)計與之結(jié)合的全新蛋白質(zhì)的顯著進(jìn)展。針對與細(xì)胞內(nèi)吞相關(guān)的受體結(jié)合的EndoTags，研究人員設(shè)定了多個關(guān)鍵要求，以確保其有效性。首先，這些EndoTags與受體的結(jié)合必須不會干擾受體與其天然配體之間的相互作用。此外，有些EndoTags還需要能夠誘導(dǎo)受體的構(gòu)象變化或促進(jìn)受體的聚集，從而增強內(nèi)吞作用的發(fā)生。這一目標(biāo)要求對受體蛋白上的特定表位進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計，以確保結(jié)合的特異性和有效性。研究人員指出，基于人工智能的蛋白設(shè)計策略已顯著提高了成功率，達(dá)到原有水平的10倍以上。這一進(jìn)展使得這種策略能夠成為實驗室常規(guī)操作的一部分，從而加速了相關(guān)研究的進(jìn)展。通過這種方法，研究人員能夠更加高效地開發(fā)出具有潛在治療價值的結(jié)合蛋白，進(jìn)一步推動靶向蛋白降解及相關(guān)療法的發(fā)展。總之，這項工作代表了靶向蛋白質(zhì)降解領(lǐng)域向前邁出的重要一步。創(chuàng)造一種通用的、基因可編碼的蛋白質(zhì)消除技術(shù)，為針對目前被認(rèn)為難以治療的各種疾病的精確治療開辟了新的可能性。后續(xù)，研究人員將進(jìn)一步擴(kuò)大EndoTags的靶標(biāo)范圍，潛在地為更多疾病提供治療。同時，他們也計劃探索pLYTACs的臨床應(yīng)用，希望開發(fā)治療癌癥、自身免疫性疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新療法。

       參考文獻(xiàn)

       [1]Banik SM, Pedram K, Wisnovsky S, Ahn G, Riley NM, Bertozzi CR. Lysosome-targeting chimaeras for degradation of extracellular proteins. Nature. 2020 Aug;584(7820):291-297. doi: 10.1038/s41586-020-2545-9.

       [2]Pance K, Gramespacher JA, Byrnes JR, Salangsang F, Serrano JC, Cotton AD, Steri V, Wells JA. Modular cytokine receptor-targeting chimeras for targeted degradation of cell surface and extracellular proteins. Nat Biotechnol. 2023 Feb;41(2):273-281. doi: 10.1038/s41587-022-01456-2.

       [3]Huang B, et al. Designed endocytosis-inducing proteins degrade targets and amplify signals. Nature. 2024 Sep 25. doi: 10.1038/s41586-024-07948-2.

       [4]https://www.bakerlab.org/2024/09/27/targeted-protein-degradation-through-advanced-protein-design/.