近日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫學(xué)交叉研究院韓霆實(shí)驗室與黃牛實(shí)驗室針對現有的靶蛋白降解技術(shù)選擇性和應用范圍方面的局限性，發(fā)現了基于TRIM21的分子膠并開(kāi)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的作用機制及應用范圍

       傳統TPD技術(shù)的局限性

       傳統的靶蛋白降解技術(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(lái)，靶蛋白降解領(lǐng)域雖然取得了顯著(zhù)進(jìn)展，但仍存在一些局限性。

       目前大多數分子膠降解劑都是偶然發(fā)現的，其研發(fā)缺乏系統的發(fā)現和設計策略，發(fā)現過(guò)程具有較大的偶然性，難以有針對性地開(kāi)發(fā)更多有效的分子膠用于治療不同疾病。雖然詳細的機制已經(jīng)被闡述，但新分子膠的藥代動(dòng)力學(xué)（PK）/藥效動(dòng)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)目標的內源性合成速率、降解劑的降解速率常數和PK特性對于分子膠降解劑的優(yōu)化非常重要。

       此外，分子膠誘導蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（PPI）復合物的結合模型尚不夠清晰，給基于結構的合理設計帶來(lái)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)

       當前的TPD藥物主要依賴(lài)具有廣泛表達模式和組成活性的少數幾種E3連接酶，如CRBN或VHL，然而人類(lèi)細胞中存在600多種E3連接酶（圖3），這種對少數E3連接酶的過(guò)度依賴(lài)，限制了TPD技術(shù)對不同疾病和靶蛋白的適用性。例如，一些細胞類(lèi)型缺乏特定E3連接酶的表達，導致這些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下調，限制了基于VHL的PROTACs在這種情況下的治療應用。

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

       因此，實(shí)現更高水平的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。PROTACs分子量相對較大，通常超過(guò)了傳統小分子藥物的大小，這可能會(huì )導致細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. 泛素蛋白酶體系統和E3泛素連接酶分類(lèi)

       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(guò)程發(fā)生紊亂，形成異常的多聚蛋白結構。例如，在神經(jīng)退行性疾病中，像阿爾茨海默病的標志性病理特征β-淀粉樣蛋白斑塊和tau蛋白纏結，都是異常多聚蛋白聚集的結果。這些異常聚集物會(huì )干擾細胞的正常生理功能，導致神經(jīng)元細胞死亡和神經(jīng)功能障礙。異常的多聚蛋白不僅自身會(huì )引發(fā)疾病，還會(huì )影響其正常對應物所執行的不可缺少的功能。正常的蛋白質(zhì)在細胞內通常參與各種重要的生理過(guò)程，如信號傳導、物質(zhì)運輸和細胞結構維持等。然而，當出現異常多聚蛋白時(shí)，它們可能會(huì )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)上具有挑戰性（圖4）。生物分子凝聚物是在亞細胞環(huán)境中富集特定蛋白質(zhì)和核酸的無(wú)膜組裝物，其內部環(huán)境復雜，要實(shí)現對其中多聚蛋白的精準降解，同時(shí)避免對其他正常蛋白質(zhì)的影響，是當前研究面臨的難題。

圖5. 蛋白質(zhì)聚集由多個(gè)步驟組成，每個(gè)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(guò)與多聚體底物的相互作用而被激活，這為開(kāi)發(fā)新型靶向蛋白降解（TPD）技術(shù)提供了機會(huì )。如果能夠利用這一特性，開(kāi)發(fā)出有效的方法來(lái)選擇性降解多聚蛋白，將為治療相關(guān)疾病帶來(lái)新的希望。

       例如，在自身免疫性疾病中，通過(guò)降解引發(fā)自身免疫反應的異常多聚蛋白，可能有助于調節免疫系統的平衡，緩解疾病癥狀；在癌癥治療中，針對癌細胞中異常聚集的多聚蛋白進(jìn)行降解，或許能夠抑制癌細胞的生長(cháng)和擴散。

       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)生物醫學(xué)交叉研究院韓霆實(shí)驗室與黃牛實(shí)驗室針對現有的靶蛋白降解技術(shù)選擇性和應用范圍方面的局限性，發(fā)現了基于TRIM21的分子膠并開(kāi)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介導的TPD作為誘導多聚蛋白選擇性降解的通用策略。通過(guò)結合基于表型的高通量篩選和隨后的靶標反卷積，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，導致NUP35、SMPD4和GLE1等多個(gè)核孔蛋白的降解（圖6）。

圖6. TRIM21通過(guò)識別NUP98被招募到核孔

       研究人員通過(guò)X射線(xiàn)晶體衍射分析了TRIM21與乙酰丙嗪及其代謝物復合物中PRYSPRY結構域的共晶結構，基于晶體結構在TRIM21中發(fā)現了一個(gè)適合PROTAC功能化的可配體口袋?；诖?，他們設計了基于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，同時(shí)保留了稀釋相中的非多聚體靶標（圖7）。之后，研究人員利用TrimTAC實(shí)現了胞質(zhì)DNA誘導的cGAS聚集體的選擇性降解，為T(mén)rimTAC治療自身免疫性疾病提供了潛在應用場(chǎng)景，這些發(fā)現強調了基于trim21的降解物消除通過(guò)異常多聚導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

       結語(yǔ)

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

       該研究中呈現了兩類(lèi)基于TRIM21的降解物，包括MG降解劑和TrimTACs，可分別通過(guò)引導識別及雙功能作用實(shí)現對核孔復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(lái)研究的一個(gè)有潛力的方向。

       但研究存在TRIM21、NUP98和（S）-ACE-OH三元復合物結構未解析等局限，未來(lái)應聚焦于針對內源性蛋白的TrimTACs研究以拓展治療應用。

       參考文獻：

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