泛素酶：泛素化研究的基石，PROTAC开发的核心

泛素酶与PROTAC蛋白质作为生命活动的主要承担者在完成使命后需要及时启动降解和清除。如果在这个过程中出现问题就会引发一系列疾病最典型的当属神经退行性疾病如阿尔茨海默症、帕金森、亨廷顿病等。人体细胞降解蛋白质的主要途径有泛素-蛋白酶体系统UPS和溶酶体-自噬通路。PROTAC是一种新兴治疗方式利用UPS选择性的靶向降解疾病相关的蛋白质调节小分子药物难靶向的“不可成药”靶点。因此PROTAC概念自2001年首次报道以来受到科研界和药企的广泛关注。SignalChem Biotech义翘神州全资子公司凭借20多年为泛素研究提供高活性重组酶蛋白和底物的经验已成功开发泛素、E1泛素激活酶、E2泛素结合酶、E3泛素连接酶、去泛素化酶等一系列产品。“一键三连”泛素化研究发现80%-90%的蛋白质降解由泛素-蛋白酶体系统UPS介导完成。UPS俨然是人体的一个蛋白质“垃圾处理站”。泛素“一键锁定”靶蛋白标记为待处理的垃圾即“泛素化”。通过E1泛素激活酶、E2泛素结合酶、E3泛素连接酶实现“三连击”将靶蛋白进行集中处理接收信号并降解靶蛋白。泛素-蛋白酶体系统源自文献doi: 10.1038/s41568-021-00365-x泛素因其广泛存在于真核生物的各类细胞中而得名。泛素在人类基因组中有4个基因编码UBB、UBC、UBA52和RPS27A。其中RPS27A和UBA52编码单拷贝的泛素与核糖体蛋白L40和S27a形成融合蛋白。UBB和UBC则表达多拷贝泛素前体。成熟的泛素有76个氨基酸且高度保守其中甲硫氨酸和赖氨酸对于泛素链形成尤为重要。泛素酶的接力E1泛素激活酶催化泛素并通过巯酯键结合在一起随后E2泛素结合酶通过巯基置换取代E1将泛素结合到E2上。泛素化的E2蛋白和E3泛素连接酶以及底物形成复合体。在E3的催化作用下将泛素的羧基末端与靶蛋白赖氨酸残基间形成氨基异肽键从而将泛素转移到靶蛋白上。最后通过26S蛋白酶体降解泛素化标记的蛋白质。泛素化过程中的关键酶E1泛素激活酶E1进化上保守属于ATP依赖酶通过与泛素C端形成高能硫脂键而激活泛素。在结构上E1可以被分为4个功能区腺苷化结构区催化ATP与泛素形成泛素腺苷酸中间体、半胱氨酸催化区催化泛素和半胱氨酸形成巯酯键、4HB维持E1结构、泛素折叠区招募特异性的E2蛋白。在人体中E1泛素激活酶除了UBA1和UBA6还有其它结构类似的蛋白同样具有E1激活酶的作用如UBA2、UBA3、UBA4、UBA7等。E2泛素结合酶大约有40余种在结构上具有UBC结构域还有3个loop环loop1和loop2是E3酶的结合区loop3含有半胱氨酸是泛素结合区。E2突变与疾病发生相关如UBE2D2/3、UBE2L3、UBE2N和UBE2R1与帕金森症密切相关UBE2L3和类风湿关节炎等自身免疫病相关UBE2C、UBE2D与不同肿瘤发生机制相关。E3泛素连接酶目前已超过600多种。按照结构可以分为3类RING E3、HETC E3和RBR E3连接酶。E3连接酶和底物直接相关在体内生物学功能中发挥重要作用。E3连接酶的突变与多种疾病相关如MDM2通过影响p53的稳定性调控癌症进展。Parkin功能缺失导致线粒体外膜蛋白无法正常代谢进而引发帕金森病。E3连接酶BRCA1是乳腺癌的标志物之一。PROTAC让泛素化实现临床转化泛素化调节蛋白质的稳定性、功能、亚细胞定位及相互作用广泛参与免疫反应调控、DNA损伤修复、细胞周期调控、细胞增殖凋亡等几乎所有的生命活动。一旦失调将可能引发癌症、免疫疾病、神经退行性疾病、代谢综合征等病变。靶向蛋白降解嵌合体PROTAC利用细胞的天然泛素-蛋白酶体系统选择性地降解致病蛋白质调节传统小分子难以靶向的“不可成药”蛋白。PROTAC通过两个连接子Linker连接的配体形成异双功能小分子降解剂一端负责结合目的蛋白POI另一端招募并结合E3泛素连接酶。PROTAC同时结合目的蛋白和连接酶形成E3-降解剂-POI三元复合物诱导目的蛋白泛素化并随后被26S蛋白酶体降解进而实现抑制肿瘤生长的目标。整个过程中PROTAC分子可以重复回收利用靶向目的蛋白。PROTAC结构示意图源自文献doi: 10.1016/j.csbj.2023.02.042设计有效的PROTAC关键是选择对E3连接酶亲和力足够高的E3配体且在不影响其泛素化活性的情况下招募功能活跃的E3连接酶。目前PROTAC广泛使用CRBN和VHL两种E3连接酶。新的PROTAC适用E3连接酶也在发现和开发中如DCAF2、TRIM、KLHL、RNF等。可用于PROTAC专用的E3连接酶源自文献doi: 10.1038/s41573-021-00371-6免责声明义翘神州内容团队仅是分享和解读公开的研究论文及其发现专注于介绍全球生物医药研究新进展。本文仅作信息交流用文中观点不代表义翘神州立场。随着对疾病机制研究的深入新的实验结果或结论可能会修改或推翻文中的描述还请大家理解。本文不属于治疗方案推荐如需获得治疗方案指导请前往正规医院就诊。【参考文献】1. Brandon Dale, et al. Advancing targeted protein degradation for cancer therapy. Nature Reviews Cancer, https://doi.org/10.1038/s41568-021-00365-x2. Tin M. Tunjic, Noah Weber, Michael Brunsteiner. Computer-aided drug design in the development of proteolysis targeting chimeras. Computational and Structural Biotechnology Journal, https://doi.org/10.1016/j.csbj.2023.02.0423. Miklós Békés, David R. Langley and Craig M. Crews. PROTAC targeted protein degraders: the past is prologue. Nature Reviews Drug Discovery, https://doi.org/10.1038/s41573-021-00371-6