泛素化-PROTAC之后,去泛素化-DUBTAC来了

2022-03-17


众所周知,泛素蛋白酶体系统(UPS)是真核细胞中降解细胞内蛋白质的主要途径, 一旦被泛素标记,蛋白质就会被蛋白酶体识别和降解。蛋白质的泛素化由一系列名为E1,E2和E3的泛素化酶介导进行。首先,E1酶与泛素复合物消耗ATP,形成高能硫酯键。紧接着,泛素通过反式硫酯化与E2酶偶联。接下来,E2酶结合E3连接酶,E3连接酶通常是由底物适配器和辅助蛋白组成的大型蛋白质复合物。根据E3连接酶的类别,表面的泛素可直接从E2酶转移到底物赖氨酸上,或者泛素从E2酶顺序传递到E3连接酶,再到底物上。泛素本身含有七个赖氨酸残基,其允许E3连接酶迭代泛素化以形成多泛素链。用K48连接的多泛素标记的蛋白质可以被蛋白酶体识别和降解。



在之前的研究中,研究人员主要将目光集中在了利用泛素标记来降解诱导疾病的一些蛋白上,比如研究较多的蛋白水解靶向嵌合体(PROTACs)。然而,最近发表于Nature Chemical Biology 上的一篇论文中,来自加州大学伯克利分校的科学家们描述了一种结构类似PROTAC、能够实现靶向蛋白稳定的异双功能分子——去泛素酶靶向嵌合体(deubiquitinase-targeting chimeras,DUBTACs)。研究证明,使用DUBTAC能够稳定和恢复不稳定的突变形式的氯离子通道蛋白CFTR的功能。



DUBTAC是哑铃形状的分子,由结合致病蛋白的化合物通过linker连接一个去泛素酶(DUB)的招募配体组成。DUB能够去除被降解蛋白的泛素链,防止其被破坏,从而稳定蛋白质水平。(来源:Nature Chemical Biology )

CFTR的移码突变(ΔF508)是导致囊性纤维化最常见的原因。ΔF508-CFTR不稳定,会经历K48多聚泛素化然后被降解,从而导致氯离子穿过上皮细胞膜的运输中断。在这项研究中,科学家们推测,一种能够同时招募内源性去泛素酶(DUB),以及靶向ΔF508-CFTR的分子,可能能够拉近DUB和ΔF508-CFTR的距离,从而导致ΔF508-CFTR的去泛素化和随之而来的稳定。

首先,为了找到具有合适结合位点的DUB,科学家们挖掘了他们小组的数据库,发现了66个具有探针修饰的半胱氨酸残基的DUB。在这些DUB中,有一些主要的探针修饰的半胱氨酸不位于催化位点,且具有被优先结合的特性,研究者们推测,这类DUB与其招募配体结合后不太可能会失去催化活性。研究者们找到的满足这种标准的7个合适的DUB中,最终,OTUB1被选定用于进一步调查,主要是考虑到OTUB1在切割K48连接的多聚泛素链中的作用,以及其主要被修饰半胱氨酸C23与其催化半胱氨酸之间的距离。



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靶向OTUB1的共价配体的发现(来源:Nature Chemical Biology )

接下来,研究者们分析了一组半胱氨酸反应性配体与OTUB1结合的能力,确定了丙烯酰胺EN523是首选。体外实验表明,EN523特异性结合在OTUB1的变构C23位点,结合后OTUB1活性没有丧失。

在确定了一个合适的DUB“招募配体(recruiter)”后,科学家们接着评估“lumacaftor” (一种药物)作为靶向ΔF508-CFTR的“弹头”的可能性。研究显示,lumacaftor充当ΔF508-CFTR的分子伴侣,增加了CFTR向细胞膜的转运,并部分恢复了CFTR的功能,但大部分错误折叠的蛋白质仍然被泛素化和降解。

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靶向突变CFTR 的DUBTAC(来源:Nature Chemical Biology )

基于这些发现,科学家们最终合成了一个名为NJH-2-057的去泛素酶靶向嵌合体(DUBTAC),NJH-2-057由EN523、lumacaftor以及C5 alkyl linker组成。在体外实验中,与单独使用lumacaftor或EN523相比,用NJH-2-057处理表达ΔF508-CFTR的人类支气管上皮细胞显著提高了CFTR蛋白水平,并以时间和剂量依赖的方式实现了稳定蛋白的作用。在来自囊性纤维化供体的原发性支气管上皮细胞中,相比lumacaftor,NJH-2-057对ΔF508-CFTR的稳定作用也显著改善了依赖于CFTR的经上皮电导,表明CFTR功能恢复。

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WEE1 DUBTAC(来源:Nature Chemical Biology )

为了进一步的概念验证,研究人员还合成了靶向肿瘤抑制性激酶WEE1的DUBTAC。WEE1在许多肿瘤中被降解以促进癌细胞增殖。稳定癌细胞中 WEE1 激酶的水平有望阻止肿瘤生长。

该研究中,靶向WEE1的DUBTAC由EN523与一种处于临床开发阶段的WEE1抑制剂经C3 alkyl linker或基于聚乙二醇的linker连接而成。研究显示,两种DUBTAC均能显著稳定肝癌细胞系中的WEE1,而EN523或AZD1775单独治疗对WEE1水平没有影响。

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靶向蛋白降解 VS 靶向蛋白稳定(来源:Nature Chemical Biology)


总体来说,这项新研究表明,OTUB1的共价小分子招募配体EN523可以作为异双功能DUBTAC的一部分,用于稳定细胞中的靶蛋白。接下来,科学家们将进一步优化DUB招募配体以及linker的长度以改善DUBTAC的效力,同时,他们也将调查DUBTAC靶向其他疾病相关异常蛋白水解途径的潜力。

领导该研究的Daniel Nomura教授说:“我们相信,这种新型DUBTAC治疗平台能够通过靶向先前被认为不可靶向的异常降解致病蛋白,开发出对抗多种人类疾病的新药物,包括癌症、神经退行性疾病以及多种遗传性疾病。”


总结:

DUBTACs进入细胞后,DUBTAC会诱导DUB与靶蛋白接近;从而去除泛素链,以阻止蛋白酶体介导的蛋白质降解,达到稳定依赖泛素化降解的特定蛋白的水平。总而言之,DUBTACs的发现代表着一种新的治疗方式的出现,为异常蛋白质降解引发的疾病的治疗指引了方向。未来,相信靶向蛋白质降解(TPD,以PROTAC为代表)和靶向蛋白质稳定(TPS,以DUBTAC为代表)将会改变药物开发的格局。


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