2022-11-22

Science | 靶向蛋白降解途径突破，几乎可用于任何疾病相关蛋白

原创 图灵基因 图灵基因 2022-11-22 09:48 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

CRBN（cereblon）是CRL4CRBNE3连接酶复合物的底物识别亚单位。

Scripps Research的科学家们发现了一种有前途的新型抗癌药物CELMoDs的一个关键特性。CELMoDs被设计成以一种新的方式攻击癌症，通过与一种称为cereblon的调节蛋白结合，从而触发关键癌症驱动蛋白的降解。Scripps团队发现，这些药物为了发挥作用，需要在与cereblon结合时引起cereblon的关键形状变化。他们表示，他们的发现将帮助研究人员可靠地设计有效的CELMoD。

“许多研究小组花了大量时间制造与cereblon紧密结合的药物，但随后却对这些药物无法起作用感到困惑。”该研究的资深作者、Scripps研究所综合结构和计算生物学系教授Gabriel Lander博士表示。

Lander和第一作者、Lander实验室的博士后研究员Randy Watson博士及其同事在《Science》杂志上发表的一篇题为“Molecular glue CELMoD compounds are regulators of cereblon conformation”的论文中总结道，“我们的结果为CELMoD化合物的治疗效果提供了机制见解，CELMoD化合物是一类分子胶的集合体，是靶向蛋白质降解领域的核心参与者。”

Cereblon（CRBN）是细胞中主要蛋白质处理系统的一部分。该系统用称为泛素的分子标记靶向蛋白质，有效地标记蛋白质，以通过称为蛋白酶体的流动蛋白质分解复合物进行破坏。作者解释道：“真核蛋白通过泛素部分与特定残基（主要是赖氨酸侧链）的共价连接而被降解。”

泛素-蛋白酶体系统不仅用于破坏异常或受损的蛋白质，还有助于调节一些正常蛋白质的水平。Cereblon是泛素-蛋白酶体系统用来引导泛素标记过程朝向特定目标蛋白质组的数百个“适配器”之一。

科学家们现在认识到，一些癌症药物，包括骨髓瘤药物来那度胺，是通过与cereblon结合而起作用的。它们这样做的方式是迫使泛素标记，并随之破坏促进细胞分裂的关键蛋白质，而这些蛋白质是传统药物无法轻易靶向的。受到这一认识的启发，科学家们正致力于开发cereblon蛋白结合药物——CELMoDs，也被称为蛋白质降解药物——对骨髓瘤和其他癌症有更好的疗效。“CELMoD药物来那度胺（Revlimid）已被用作多发性骨髓瘤和其他血液系统恶性肿瘤的一线治疗超过10年，新一代CELMoC化合物在临床试验中显著改善了患者的预后。”该团队继续说道。

该领域一个长期存在的问题是，虽然其中一些药物与cereblon紧密结合，但它们不能引起靶向蛋白的充分降解。很难理解为什么会发生这种情况。科学家们希望使用高分辨率成像方法来绘制cereblon的原子结构，并研究其与CELMoDs结合时的动力学。但cereblon是一种相对脆弱的蛋白质，用这种成像方法很难捕捉到。科学家们指出：“先前的晶体学研究定义了CRBN的沙利度胺结合域（TBD）中的药物结合位点，但药物诱导的新底物结合的变构仍不清楚。”

在最新报道的这项研究中，Watson花了一年多的时间设计了一种配方，用于稳定与泛素系统伴侣蛋白相关的cereblon，以便用冷冻电镜（cryo-EM）对其进行成像。通过这种方式，他最终能够在接近原子的尺度上解析cereblon结构。Watson还用CELMoD化合物和靶蛋白对cereblon伴侣复合物进行了成像。“我们对DNA损伤结合蛋白1（DDB1）-CRBN载脂蛋白复合物进行了冷冻电镜分析，并将这些结构与单独存在CELMoD化合物和与新基质复合的DDB1-CRBN进行了比较。”科学家们解释道。

结构数据表明，CELMoDs必须以改变其形状或构象的方式与cereblon结合。研究人员确定，Cereblon有一个默认的“开放”构象，但必须切换到特定的“封闭”构象才能对目标蛋白进行泛素标记。“CELMoD化合物与TBD的结合对于触发CRBN从开放构象到典型闭合构象的变构重排是必要且充分的。”

这一发现的主要意义在于，开发CELMoD的制药公司现在对他们的候选药物必须做些什么才能有效有了更好的认识。Watson说:“公司一直在开发cereblon结合蛋白降解药物，他们认为这些药物是更好的降解药物，但他们不知道这是因为这些药物更善于驱动这种封闭构像。所以现在他们知道了，他们可以测试他们的药物是否具有这一关键特性。”

研究人员评论说，这些结果“突出了以前未被重视的变构效应，可以在设计CRBN导向的分子胶疗法时加以考虑。通过表征CRBN-DDB1系统固有的构象重排，并展示三种不同的降解分子如何影响变构和新基质结合能力，我们揭示了CRBN中移动药物结合TBD的构象控制如何暗中推动新底物靶向药物的治疗成功。”

Watson在冷冻电镜成像准备中稳定cereblon的突破性配方现在也被该领域的研究人员广泛采用。Lander说，他的实验室现在希望促进蛋白质降解药物的开发，这种药物通过结合除cereblon外的其他泛素-蛋白酶体衔接蛋白发挥作用。他指出，蛋白质降解药物策略的最大吸引力在于，它几乎可以用于打击任何与疾病相关的蛋白质，包括传统药物无法靶向的一大类蛋白质。