【First-in-class药设系列】靶向Atg8的强效自噬抑制肽
蛋白-蛋白相互作用是近年来最为热门的一类靶标，它突破了传统单一蛋白功能调控的风险，利用调控两个蛋白间的接触来改变来“开-关”生命体生理或病理状态的信号通路，从而达到治疗疾病的目的。然而，蛋白-蛋白相互作用的小分子识别在药物设计与发现中具有巨大挑战，这类靶标界面普遍平坦宽大，蛋白间相互作用紧密，且界面随不同分子结合构象变化大，造成药物筛选成功率极低。我们课题组曾利用结合蛋白多肽为模板发展了APC-Asef的拟肽类抑制剂(1)，最近香港科技大学的张明杰教授等也是利用类似方法，发现了细胞自噬过程中Atg8家族成员的强效抑制肽，这个工作以“Potent and specific Atg8-targeting autophagy inhibitory peptides from giant ankyrins”为题刚刚发表于Nat Chem Biol上(2)。这些研究为蛋白-蛋白相互作用寻找具有活性的苗头化合物/先导化合物提供了可复制的工作思路。
自噬是真核生物进化上保守的降解系统，负责降解细胞内蛋白质聚集体，损伤的细胞器和侵入性病原体，对于维持细胞稳态以及应对环境压力是必不可少的。细胞通过自噬过程降解受损细胞器和病原菌从而维持自身的稳态，自噬的失调与人类多种疾病相关。Atg8家族蛋白是自噬的主要驱动因子，分为GABARAP和LC3两个亚家族，共有六个成员。Atg8家族蛋白都包含一段LIR序列，即N端双螺旋结构和C端类似泛素的结构域，该结构域可以识别带有 ΦXXΨ 序列的蛋白（ Φ是酪氨酸，苯丙氨酸和色氨酸；Ψ是亮氨酸和缬氨酸；X是任意氨基酸）。之前已报道Atg8的GABARAP亚家族结合蛋白AnkG的Kd值约10-20nM，如何开发更接近小分子、亲和力更强的Atg8抑制剂一直是自噬及相关疾病亟待解决的关键问题。
在这个研究中，他们发现AnkG中含有LIR区域的26肽(AnkG-LIR)，可以有效结合Atg8，ITC实验该肽段与GABARAP亚家族蛋白的Kd值约为2.6nM，结合LC3亚家族能力比GABARAP弱两个数量级，表明AnkG-LIR可以选择性地结合GABARAP亚家族蛋白，这是目前被报道的最强效的结合肽。通过解析AnkG-LIR和GABARAPL1、LC3B的晶体结构和关键性位点突变实验，发现AnkG-LIR通过的在Atg8家族成员蛋白中选择性的分子基础：经典的LIR基序和C-螺旋的协同作用使得AnkG-LIR强效结合GABARAP。
为了寻找与Atg8更强效的结合蛋白，研究者利用AnkG-LIR作为模板进行BLAST后，发现了AnkB-LIR肽。该肽与GABARAP亚家族蛋白的Kd值达到了0.27nM，且对Atg8所有成员的结合力都很强，是一个非选择性的强效自噬抑制剂。同样地，基于结构分析，他们证实了Atg8的强binder的序列特征：D/E2-3X0-2ΦXXΨXXXEΨρρΨρρρΨ（Φ代表芳香族氨基酸, Ψ代表脂肪族氨基酸 , ρ代表极性氨基酸 ,X代表任意氨基酸），为后续的小分子设计提供了结构热区指导。
为了评估这些肽对自噬功能的影响，研究者进一步使用COS7细胞来评估AnkB/G-LIR肽对自噬的抑制作用，发现AnkB-LIR可有效抑制GABARAP和LC3斑点形成，可阻断自噬的早期步骤，并证明了其具有空间和时间的特异性。这项研究再次给我们提供了对于蛋白-蛋白相互作用抑制剂设计中的经典思路，即利用结合蛋白内关键肽段实现苗头抑制剂的发现。然而，26肽可能对于药物开发中后期并不适合，如何将多肽逐步转化成小分子仍然是蛋白相互作用先导化合物优化中值得进一步深入研究的重要科学问题。
参考文献
1. JiangH, Deng R, Yang X, Shang J, Lu S, Zhao Y, Song K, Liu X, Zhang Q, Chen Y, ChinnYE, Wu G, Li J, Chen G, Yu J, Zhang J. Peptidomimetic inhibitors of APC-Asefinteraction block colorectal cancer migration. Nat Chem Biol. 2017Sep;13(9):994-1001.
2. Li J,Zhu R, Chen K, Zheng H, Zhao H, Yuan C, Zhang H, Wang C, Zhang M. Potent andspecific Atg8-targeting autophagy inhibitory peptides from giant ankyrins. NatChem Biol. 2018 Aug;14(8):778-787.
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