复旦大学鲁伯埙团队综述：降解技术的新概念 | CellPress对话科学家

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生命科学

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近日，复旦大学生命科学学院鲁伯埙、丁澦与信息科学与工程学院费义艳合作，围绕基于溶酶体降解技术的针对“不可成药”靶点药物研发新技术撰写综述文章《降解技术的新概念》（Emerging New Concepts of Degrader Technologies），发表于Cell Press细胞出版社期刊综述期刊 Trends in Pharmacological Sciences（IF=13.5）。

该文章系统介绍了针对“不可成药”靶点溶酶体降解药物开发的几种新技术，并讨论了它们的潜在丰富应用和可能的局限性。

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人类遗传学研究表明，许多新的靶蛋白通过获得功能性毒性而引起疾病。传统的药物开发策略需要占据结合位点进而抑制目标蛋白功能活性，这使得与疾病相关的支架蛋白、转录因子和其他非酶蛋白等都变得“不可成药”。通过增强蛋白质质量控制系统能纠正或降解这些“不可成药”致病蛋白质。此外，对于病原性蛋白引起的神经退行性疾病，诱导自噬可能是一种潜在的治疗策略。这些方法虽然具有治疗多种疾病的潜力但会诱导细胞整体变化，可能产生强烈的补偿机制或广泛的非特异性作用来抵消实际效果。

选择性降低致病蛋白水平是一种更有效的策略。基于核酸的RNA或DNA靶向试剂进行基因沉默是其中一种方法，尽管基因治疗很有前景，但仍面临一些关键挑战如难以递送且价格过高。因此，诱导目标蛋白降解的可行性更大且可以满足巨大的临床需求。

▲图1：已建立的选择性靶向目标蛋白（POI）策略

PROTAC降解技术

目前小分子诱导蛋白降解的主要方法是蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）技术。PROTAC分子通过拉近靶蛋白和E3连接酶的距离从而提高靶蛋白的泛素化效率，进而诱导蛋白酶体系统对靶蛋白进行降解。但PROTAC存在一定局限性，如该方法依赖特定E3连接酶，限制其在某些细胞中的应用，其分子量普遍偏大，成药性存在一定问题，另外泛素-蛋白酶体途径对聚集蛋白质或者大的蛋白质的降解无能为力。

溶酶体降解技术

除了泛素-蛋白酶体途径外，细胞内蛋白质的降解还主要通过自噬-溶酶体途径。因此针对溶酶体降解途径降解“不可成药”靶点也具有广泛的开发前景。溶酶体降解途径包括内体/溶酶体途径和自噬途径。内体/溶酶体途径由多个膜结合的细胞区室协同作用，即首先内吞进入细胞的蛋白，然后通过早期内体、内体载体囊泡、晚期内体和溶酶体进行后续降解。自噬途径始于被称为吞噬泡的分离膜结构，该结构来自具有脂质化LC3蛋白的脂质双层膜，吞噬泡通过膨胀进而吞噬蛋白质和其他生物分子甚至包括细胞器的细胞内物质，这些物质被隔离在称为自噬体的双膜囊泡中随后被降解。接下来将主要介绍溶酶体降解途径的主要三种技术。

▲图2：靶向溶酶体的3种新兴降解技术

1.溶酶体靶向嵌合体

LYTAC（溶酶体靶向嵌合体）技术是一种利用内体/溶酶体途径降解目标蛋白的方法。PROTAC技术主要针对细胞内蛋白，而LYTAC可作用于膜蛋白和细胞外对PROTAC具有抗性的蛋白质（如EGFR）。LYTAC分子由针对特定目标蛋白的抗体和6-磷酸甘露糖（M6P）共价连接组成。抗体可被内源系统识别，其结合的目标蛋白将被转运到溶酶体中进行降解。LYTAC技术的优势在于利用了普遍表达的内源性降解途径降解细胞外蛋白和膜蛋白，主要不足是分子量大且分子中的抗体或多肽可能诱导免疫反应。

2. 自噬靶向嵌合体

自噬靶向嵌合体（AUTAC）采用与PROTAC类似的设计，很适合降解胞质中对PROTAC分子具有抗性的目标蛋白。货物蛋白（cargo proteins）首先被吞噬形成自噬体，然后SQSTM1/p62等自噬受体识别Lys63（K63）多聚泛素化货物蛋白，并将它们转移到自噬体进行降解。AUTAC和PROTAC分子均通过泛素化起作用，但AUTAC分子通过触发K63多聚泛素化从而诱导靶标降解。研究发现AUTAC分子具备降解目标蛋白以及受损的线粒体等细胞器的能力。

3. 自噬小体绑定化合物

自噬小体绑定化合物（ATTEC）是利用自噬降解目标蛋白的一种更直接方法。与PROTAC和AUTAC不同，ATTEC分子与泛素化无关。ATTEC分子可以直接将目标蛋白和LC3结合在一起，促进目标蛋白被自噬体吞噬。mHTT（突变的mHTT）是引发亨廷顿氏病（HD）的主要原因，该蛋白具有重复扩展的多聚谷氨酰胺（polyQ）。研究表明，自噬体偶联化合物可以在细胞或者动物模型体内降解mHTT，并减弱HD相关的表型。体外实验表明，ATTEC分子可以和polyQ特异性相互作用从而选择性降解mHTT且不影响wtHTT水平。ATTEC分子还能够降解其他引起疾病的polyQ蛋白。通过直接与自噬体蛋白LC3相互作用并绕过泛素化过程，ATTEC分子在降解DNA/RNA分子、受损的细胞器等通过自噬识别的非蛋白货物方面具有巨大潜力。ATTEC分子是否会影响整体自噬活性还有待研究。与PROTAC、LYTAC和AUTAC的分子量相比，靶向mHTT的ATTEC分子量非常小，这可能具有更好的药物特性。

▲表1：PROTAC和新兴降解技术的优势和局限性 （来源：分迪科技微信公众号）

除PROTAC技术外，本文还展示了这三个新兴的降解技术。尽管每个技术都有其优点和局限性（表1），但它们极大地扩展了降解技术的潜在应用，可在降解神经系统疾病中的靶蛋白、降解编码致病蛋白的遗传物质、以及清除致病细菌和病毒等领域具有潜在的广泛应用，可能为靶向降解领域的研究开辟新途径。尽管这些新兴降解技术具有空前的潜力能极大地扩展降解技术的应用范围，但它们仍处于起步阶段，需要解决众多关键问题。通过合适的研究开发，它们可能成为令人兴奋的新药开发途径。

本文参考文献：

作者专访

Cell Press细胞出版社邀请鲁伯埙教授进行专访，

请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：

靶向蛋白质降解是药物研发领域的一个新兴方向。靶向蛋白降解嵌合体（PROTAC）技术是目前非常有前景的一种技术，但在综述中也提到是仍然存在局限性的。您怎么看待PROTAC这一技术呢？

鲁伯埙教授：

PROTAC是非常有前景的技术，也有药物进入临床，最终这个技术是否成功要看临床试验的效果。另一方面，PROTAC依赖特定几个E3泛素化连接酶的表达以及蛋白酶体介导的降解，因此发展突破这两个因素导致的局限，可能是发展独立于PROTAC的技术最大的意义。

CellPress：

LYTAC, AUTAC, ATTEC，这些新的技术都是利用溶酶体来进行靶向的降解，具体有哪些应用呢？您可以举例介绍一下吗？

鲁伯埙教授：

溶酶体途径理论上可以降解各种生物大分子甚至包括细胞器，另一方面，溶酶体也可以降解本来通过蛋白酶体降解的蛋白。因此，溶酶体靶向的降解技术在理论上可能可以降解各种致病蛋白、蛋白聚集体、DNA/RNA、细胞器、病原体、脂类、过氧化酶体等多种疾病相关物质。

LYTAC，AUTAC及ATTEC这些溶酶体靶向技术的原理不同。LYTAC主要利用内吞体—溶酶体途径，因此适用于细胞外蛋白及细胞膜蛋白。AUTAC基于K63泛素化介导的选择性自噬，可以作用于胞内可被K63泛素化的蛋白。ATTEC直接将需降解的靶点绑定至自噬小体，因此可以降解的目标范围不限于蛋白。

CellPress：

关于这些新技术，还有哪些问题需要解决？您团队下一步的研究方向是怎样的？

鲁伯埙教授：

目前这些新技术都处于新生阶段，很多进一步的验证和机制解析工作需要做。个人认为最关键的工作是：LYTAC目前主要是大分子，如何变成小分子？AUTAC导致靶蛋白K63泛素化的机制是什么？ATTEC与LC3结合的结构生物学基础是什么？

当然除了以上最关键的问题，还有很多细节问题需要解决，在我们的综述里也有讨论。我们团队一方面在探索ATTEC与LC3的结构生物学，另外一方面在拓展ATTEC的应用。此外，我们也在发展新的原创技术。

作者介绍

鲁伯埙 

教授

鲁伯埙，复旦大学教授。2003年本科毕业于复旦大学，2009年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学，其后在国际药企诺华Novartis任博士后。2012年底全职回国在复旦大学开始独立科研工作。与复旦大学合作者费义艳、丁澦、党永军等合作发明了致病蛋白选择性降解新技术ATTEC（Nature 2019，入选Nature年度十大杰出科技论文）。

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▌论文标题：

Emerging New Concepts of Degrader Technologies

▌论文网址：

https://www.cell.com/trends/pharmacological-sciences/fulltext/S0165-6147(20)30091-2

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.tips.2020.04.005

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