TPD技术最新发展：溶酶体或蛋白酶体直接参与的靶向蛋白质降解

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来源：药渡

2024-05-09

靶向蛋白降解（Targeted protein degradation, TPD）已经被确立为一种可行的替代方法，可以在生物学和临床环境中减弱特定蛋白的功能。独特的TPD作用模式使以前不可药物的蛋白质成为可行的靶标，扩大了可药物特性和特权靶标蛋白质的范围。

随着TPD的不断发展，出现了一系列不依赖于募集E3泛素连接酶的创新策略，包括自噬系固化合物（ATTEC）、溶酶体靶向嵌合体（LYTAC）、自噬靶向嵌合体（AUTOTAC）、细胞因子受体靶向嵌合体（KineTAC）、整合素促进的溶酶体降解（IFLD）和树突状DNA嵌合体（DENTAC），已经被开发出来，通过溶酶体运输受体、生长吞噬体上的LC3-II或寡聚的SQSTM1来劫持内源性溶酶体（图1）。

这些工具有效地降解细胞内、细胞外和膜蛋白、蛋白质聚集体、脂滴和受损的细胞器。此外，研究表明，病理蛋白可以直接被募集到26S蛋白酶体上，并受到小分子的诱导蛋白水解，例如最近开发的化学降解诱导剂（CIDEs）和泛素化独立降解剂（uids）。

在这里，我们概述了这些直接与溶酶体或蛋白酶体结合的TPD技术的最新发展[1]。

图1. 不依赖泛素化过程的TPD策略

01通过自噬机制靶向降解细胞内蛋白质和细胞器

自噬栓系化合物（attecs）

最初的一种不依赖于泛素化的TPD方法被设计为利用LC3配体，在自噬的早期阶段直接与发育中的吞噬细胞相互作用（图2A），被称为ATTEC，即一种自噬小体绑定化合物，其结构包含靶蛋白配体、连接子、和LC3 配体三个部分。ATTEC分子可以直接将目标蛋白（POI）和自噬关键蛋白LC3结合在一起，促进目标蛋白通过自噬-溶酶体途径降解[2]。

复旦大学鲁伯埙教授团队开创性地提出了ATTEC的概念，报道了一系列可连接突变亨廷顿蛋白（mHTT）和LC3的分子胶化合物。

实验结果表明，这些化合物可以在细胞内和动物模型体内将mHTT靶向自噬体并降解 mHTT，而不影响野生型HTT的水平，还可以缓解亨廷顿病的相关表型[3]。

靶向自噬嵌合体（AUTOTAC）

2022年，Yong课题组首次提出AUTOTAC技术（图2B）。AUTOTAC是一种异双功能分子，一端为p62配体，另一端为靶蛋白配体，两者通过Linker相连。具体作用机制如下：AUTOTAC与p62和靶蛋白同时结合，形成三元复合物，导致p62构象发生变化，产生自身寡聚并暴露出LC3（light-chain 3）结合域，进而与LC3结合，介导底物隔离至自噬小体并通过溶酶体途径降解。

基于这一理念，研究人员开发出多种能够激活p62的小分子化合物，并且在体外实验中检验了它们降解可溶性蛋白的能力。实验结果显示，将直接激活p62的小分子化合物与靶向雄激素受体（AR）或雌激素受体β（ERβ）亚基的分子连接在一起，可以导致AR和ERβ通过自噬作用被降解，并且有效抑制它们介导的下游信号通路[4]。

靶向自噬嵌合体（AUTOTAC）

图2.基于自噬的降解物的作用机制

02通过内溶酶体途径靶向降解分泌蛋白和膜蛋白

靶向溶酶体嵌合体（lytac）

斯坦福大学的Bertozzi教授团队报道了一种不同的蛋白降解技术——溶酶体靶向嵌合体（LYTACs），为靶向降解细胞外以及膜结合蛋白开辟了新的可能（图3A）。

研究人员报告称，溶酶体靶向嵌合体（LYTACs）是一种双功能分子，有两个结合域，一端携带与细胞表面跨膜受体CI-M6PR结合的低聚糖肽基团，另一端携带一个与靶蛋白结合的抗体或小分子。这两个结合域通过一个化学linker连接起来。

后续经研究人员证实，LYTAC技术能够有效降解胞外蛋白和单次跨膜蛋白（如EGFR、PD-L1）[5]。

整合素促进的溶酶体降解（IFLD）和树突状DNA嵌合体（DENTAC）

细胞外和细胞膜相关蛋白占据了所有基因编码蛋白质的40%左右，其中部分蛋白是导致癌症、衰老、代谢、免疫等多种疾病的关键因素，是一类重要的药物作用靶点。

为了实现此类蛋白的靶向降解，中国科学院深圳先进技术研究院房丽晶教授研究团队发展了一种新型整合素促进的溶酶体降解（IFLD）策略（图3B）。将靶蛋白结合配体与整合素识别配体相偶联，所得到的双功能化合物能够以整合素和溶酶体依赖的方式诱导细胞外或细胞膜蛋白的内吞和降解。整合素是细胞表面表达的细胞粘附受体，在细胞-基质相互作用中发挥重要作用。由于整合素αvβ3通常在肿瘤中过表达，因此该IFLD策略在降解肿瘤相关蛋白方面极具价值。

应用这一策略，该团队设计、合成了靶向免疫检查点PD-L1的双功能化合物BMS-L1-RGD，并证实该化合物在细胞和整体动物水平均能够有效的降解靶标蛋白PD-L1，且具有显著的体内抗肿瘤效果[6]。

此外，南京大学李金波教授团队报告了一种树突状DNA嵌合体（DENTAC）策略（图3C），该策略利用SRs进行靶向膜蛋白降解，包括POI结合分子与树突状DNA。DENTAC一端为靶蛋白配体，另一端为结合SR受体的树枝状DNA配体。DENTAC同时与靶蛋白和SR结合后可诱导靶蛋白溶酶体降解。共价树枝状DNA结构明确，性质稳定，是SR的通用配体。

研究发现DENTAC平台可以利用SR介导致癌膜蛋白发生溶酶体途径降解，达到治疗肿瘤的目的[7]。

细胞因子受体靶向嵌合体（KineTACs）

美国加州大学旧金山分校James A. Wells团队研究报道了一种溶酶体降解策略，称为细胞因子受体靶向嵌合体（KineTACs）（图3D），可用于定向降解细胞表面和细胞外蛋白。KineTAC是完全基因编码的双特异性抗体，由结合其同源细胞因子受体的细胞因子臂和目标蛋白质的靶标结合臂组成。

研究人员发现，含有细胞因子CXCL12的KineTAC可以使用诱饵回收受体CXCR7，将多种靶蛋白靶向到溶酶体进行降解。另外的KineTACs被设计用来驾驭其他CXCR7靶向细胞因子，CXCL11和vMIPII，以及白细胞介素-2（IL-2）受体靶向细胞因子IL-2。

因此，KineTAC代表了一种通用的、模块化的、选择性的和简单的遗传编码策略，用于诱导具有广泛或组织特异性分布的细胞外和细胞表面靶标的溶酶体递送[8]。

细胞因子受体靶向嵌合体（KineTACs）

图3.利用配体触发受体内吞作用的基于溶酶体的降解物

03通过直接募集26S蛋白酶体的TPD

降解化学诱导剂（CIDEs）

PROTAC分子依然面临一系列挑战：分子量过大而难以穿膜的困境；连接子的选择有限，尚无系统标准的设计方法；脱靶毒性；E3连接酶的表达水平差异；POI可能不是所选E3连接酶的天然/理想底物等。

有鉴于此，Erin C. Dueber等人提出希望拓展降解化学诱导剂（CIDEs）的选择（图4A），这就是直接将底物引向26S蛋白酶体。26S蛋白酶体在所有细胞都高表达，理论上可以扩展到任何底物；此外，这种策略使得降解端只需一种配体就足够通用。机体本身也天然存在一些不依赖泛素化而直接被蛋白酶体降解的蛋白，如鸟氨酸脱羧酶和胸苷酸合酶[9]。

研究人员通过实验也证明了通过直接蛋白酶体募集进行降解是靶向蛋白质降解的可行策略。

ADRM1介导的泛素非依赖性降解物（UIDs）

最近，Kodadek等人提出了一种基于直接参与26S蛋白酶体而不涉及多聚泛素链的替代TPD策略。UID系统使用26S蛋白酶体上的另一种泛素化受体ADRM1，由于不存在适合ADRM1的配体，因此使用稳定过表达与HaloTag7融合的ADRM1 N端片段的细胞系作为模型系统，并将与底物靶向配体共轭的伯氯烷烃链作为同源UID化合物进行测试（图4B），合成了靶向溴和外端结构域（BET）家族蛋白的原型UID。

研究发现，由ADRM1结合物和JQ1组成的异二价分子（ByeTACs）在纳摩尔浓度范围内诱导了不依赖泛素化的蛋白酶体降解BRD4，他们也指出这些发现需要进一步验证，但该研究表明目标蛋白募集到蛋白酶体可能足以有效降解[1]。

ADRM1介导的泛素非依赖性降解物（UIDs）