Cell | 韩霆实验室与黄牛实验室合作开发多聚蛋白选择性降解技术

导读 ⭐

Introduction

2024年11月1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在《Cell》上在线发表了题为“Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders”的研究论文。该研究发现乙酰丙嗪的代谢产物(S)-ACE-OH具有E3泛素连接酶TRIM21介导的分子胶活性，并据此设计了基于TRIM21的新型PROTAC分子(命名为TrimTAC)，能够选择性降解多聚蛋白而不影响单体蛋白。由于异常蛋白聚集会引发自身免疫疾病、神经退行性疾病以及癌症，上述研究成果突显出TrimTAC技术的应用前景。

研究人员首先通过基于表型的高通量筛选发现了乙酰丙嗪(ACE)能与干扰素协同杀伤非小细胞肺癌细胞系A549。使用乙酰丙嗪处理多种肿瘤细胞系和正常细胞，发现乙酰丙嗪对部分肿瘤细胞系选择性杀伤，但不影响另一些肿瘤细胞系以及正常细胞。进一步研究发现，ACE敏感细胞系通过醛酮还原酶将ACE还原成了S构型的羟乙基丙嗪(ACE-OH)，而(S)-ACE-OH是杀伤肿瘤细胞的ACE代谢产物。

为了探究(S)-ACE-OH如何杀伤肿瘤细胞，研究人员进行了全基因组CRISPR筛选，发现TRIM21是介导(S)-ACE-OH杀伤肿瘤细胞的关键因子。通过基因敲除和过表达实验证明了TRIM21的表达量与(S)-ACE-OH的细胞毒性成正相关；而TRIM21的表达则受到干扰素的诱导。上述发现为ACE和干扰素的协同杀伤肿瘤细胞的活性提供了合理的解释。

TRIM21是一种先天免疫受体，可识别逃逸到细胞质内并且被抗体包被的病毒，从而触发抗病毒免疫反应。TRIM21的C端PRYSPRY结构域具有一个疏水口袋，可结合抗体的Fc区。研究人员在TRIM21的Fc结合口袋中构建了几个点突变，发现W381A或W383A突变完全阻断了乙酰丙嗪的活性，而D355A突变则增强了乙酰丙嗪的敏感性，上述结果表明TRIM21与Fc结合的口袋很可能也是(S)-ACE-OH结合的位点。

由于TRIM21具有E3泛素连接酶活性，研究人员通过定量质谱实验发现(S)-ACE-OH可以诱导NUP35、SMPD4和GLE1等多个核孔蛋白的降解，从而破坏了核孔结构，造成核质主动转运功能的丧失。为了探究核孔复合物上TRIM21直接的作用靶点，研究人员进行了CRISPR-suppressor scanning和PML-degron融合蛋白降解实验，将核孔复合物上的靶点锚定到了NUP98。研究人员进一步使用GST pulldown和ITC实验在体外重构了(S)-ACE-OH、TRIM21和NUP98的三元复合物，从而证明 (S)-ACE-OH是一种全新的分子胶。

研究人员通过X射线晶体衍射获得了乙酰丙嗪及其代谢产物与TRIM21的共晶结构，为新配体的开发和PROTAC的设计提供了方向。根据晶体结构设计了基于TRIM21的PROTAC（命名为TrimTAC）。通过对比TrimTAC和传统的基于CRBN的PROTAC的细胞活性，发现TrimTAC不能降解单体蛋白，但能降解聚集形式的蛋白；而基于CRBN的PROTAC不具备上述选择性。这一特性来源于TRIM21的本身性质：与多聚的靶蛋白结合后，TRIM21的RING结构域二聚，才能激活其E3泛素连接酶的活性。为了验证TrimTAC在疾病治疗方面的应用前景，研究人员使用TrimTAC实现了胞质DNA诱导的cGAS聚集体的选择性降解，从而为TrimTAC治疗自身免疫性疾病提供了潜在应用场景。

综上所述，本研究发现乙酰丙嗪的代谢产物 (S)-ACE-OH 具有分子胶活性，诱导 E3 泛素连接酶 TRIM21 与核孔蛋白 NUP98 相互作用，从而引发核孔蛋白的降解。基于乙酰丙嗪衍生的 TrimTAC 分子可以实现对多聚致病蛋白的选择性降解，而不影响单体蛋白。由于蛋白质异常聚集可导致自身免疫疾病、神经退行性疾病及癌症等多种疾病，该研究展示了多聚体选择性的TrimTAC技术的广阔应用前景。在此研究基础上，韩霆实验室和黄牛实验室正在开展进一步合作，利用大规模虚拟筛选技术发现更多结构类型的TRIM21配体，为后续TrimTAC药物开发奠定基础。

基于TRIM21的分子胶和PROTAC的作用机理以及未来的应用方向

北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院韩霆研究员与黄牛研究员为本文的共同通讯作者。韩霆实验室的博士生陆盼睿、程亚龙、薛雷和黄牛实验室的任欣桐为本文的共同第一作者。高通量筛选得到了化学中心/齐湘兵实验室的大力支持，李超实验室的陈成龙也对该研究做出了重要贡献。该研究得到北京市科委、清华大学生物医学交叉研究院以及北京生命科学研究所的资助。