清华大学开发新型靶向蛋白降解技术，实现选择性降解多聚蛋白

靶向蛋白质降解（TPD） 通过促进疾病相关蛋白质与 E3 泛素连接酶的相互作用来消除这些蛋白质。其可以选择性地降解细胞内的特定蛋白质，而异常的蛋白质聚集与神经退行性疾病、自身免疫和癌症有关。

目前有两大类化学降解剂用于 TPD：分子胶（MGs）和蛋白降解靶向嵌合体（PROTACs）。PROTAC 由靶蛋白配体、连接子和 E3 连接酶配体三部分组成，是一种能特异性结合靶蛋白的同时招募 E3 连接酶的双功能分子；与 PROTAC 不同的是，分子胶对 E3 泛素连接酶和靶蛋白具有双配体结构特征，兼具同两个蛋白结合的功能，促进两个蛋白发生泛素化, 对那些非可药性靶标以及蛋白-蛋白相互作用也可因之而降解。

尽管针对 TPD 的研究非常丰富，但目前的 TPD 药物主要依赖于少数恒定的 E3 泛素连接酶。因此，为了提高 TPD 的选择性，各研究都在积极尝试发现利用其他的 E3 连接酶。

近日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院韩霆实验室与黄牛实验室合作，提出了 TRIM21 介导的 TPD 可以作为一种诱导多聚蛋白选择性降解的通用策略。并发现抗精神病药物乙酰丙嗪（目前仅作为兽医药物中的镇静剂使用）的代谢产物(S)-ACE-OH 是 E3 泛素连接酶 TRIM21 和核孔蛋白 NUP98 之间的分子胶，导致了多聚核孔复合体（NPC）中的多个蛋白降解。

TRIM21 中有一个适合 PROTAC 功能化的配体口袋，利用这一结构，研究团队设计了基于 TRIM21 的 PROTACs，它在降解多聚体靶点方面表现出显著的选择性。相关成果以“Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders”为题，发表在 Cell 期刊上。

研究人员首先进行体外细胞实验筛选，发现乙酰丙嗪（ACE）在干扰素存在的情况下，表现出对癌细胞的选择性毒性作用，并证明其抗癌机制来自于 ACE 代谢物，即（S）-ACE-OH 激活。

图 | 乙酰丙嗪的代谢激活是其选择性抗癌活性的基础

为进一步研究干扰素增强 ACE 抗癌活性的机制，研究人员进行了针对 19,114 个基因的全基因组 CRISPR-Cas9 敲除筛选。最终发现，干扰素诱导的 TRIM21 介导了 ACE 的抗癌活性。

接下来研究人员发现乙酰丙嗪诱导 TRIM21 依赖性的核孔蛋白降解。实验结果显示，一些核孔蛋白（NUP35、NUP155、SMPD4 和 GLE1）在 ACE 处理后显著减少。Western Blot 结果发现 ACE 可以在 ACE 敏感的细胞系中触发这些核孔蛋白的降解，但在 ACE 不敏感或 TRIM21 缺陷的细胞系中不能触发这些核孔蛋白的降解。此外，抑制蛋白酶体或 E3 泛素激活酶可以阻止 ACE 诱导的这些蛋白的降解。多项实验证明，ACE 诱导 TRIM21D355A（Fc 结合口袋中 D355A 突变）招募到 NPC 附近，从而触发核孔蛋白的降解。

研究人员进一步探讨了受损的 NUP98-NUP96 加工过程如何逃避 TRIM21 识别，从而产生 ACE 抗性。研究者利用早幼粒细胞白血病（PML）核小体设计了一种 degron 实验。并通过后续的泛素化模型证明：(S)-ACE-OH 作为 TRIM21 和 NUP98 之间的分子胶起作用。

随后，研究者纯化了 TRIM21 的 PRYSPRY 结构域，进一步在原子水平上研究 ACE 及其代谢物与 TRIM21 的相互作用。实验测定了 TRIM21D355A PRYSPRY 与 ACE、(S)-ACE-OH 和 (R)-ACE-OH 配合物的共晶结构。这些结构表明，这些配体的三环吩噻嗪环占据了一个浅层疏水口袋，配体的乙酰基或羟基中的氧原子作为氢键受体，与 L371 的主链相互作用。这些结构观察表明，这些配体的侧链构象可能是 MG 活性的关键决定因素。

基于这些结构信息，研究人员设计生成了一个基于 TRIM21 的 PROTAC（TrimTAC1）。能够选择性地降解多聚体蛋白质，如生物分子凝聚体中的蛋白质，而不影响单体蛋白质。

总的来说，这项研究为开发新型蛋白质降解剂提供了新的视角，并为治疗相关疾病提供了新的可能性。但也存在一些局限性。例如，MG 诱导的 TRIM21 与 NUP98 之间的相互作用的瞬态性质阻碍了三元复合物结构的解析。此外，对于 TRIM21 结合 NUP98 后选择性耗尽核孔蛋白的确切生化事件的理解还不完整。未来的研究需要聚焦于合成和测试针对内源性蛋白质的 TrimTACs，以扩展其潜在的治疗应用。