基于TRIM21的分子胶技术在多聚蛋白选择性降解中的应用前景

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1109次浏览发布时间：2024-11-11 09:49:40

　　近日，北京生命科学研究所与清华大学生物医学交叉研究院韩霆实验室和黄牛实验室在《Cell》杂志上发表了一项开创性研究，文章题为“Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders”。该研究揭示了乙酰丙嗪代谢产物(S)-ACE-OH能够作为分子胶，与E3泛素连接酶TRIM21相互作用，进而引导新型TrimTAC分子选择性降解多聚蛋白，而不影响单体蛋白的稳定性。这一发现为治疗因蛋白异常聚集引起的疾病，如自身免疫性疾病、神经退行性疾病和癌症，提供了新的思路和潜在的技术手段。

　　在研究的最初阶段，科研团队通过高通量筛选发现乙酰丙嗪(ACE)能够在干扰素存在的情况下有效杀伤非小细胞肺癌细胞系A549。进一步实验表明，乙酰丙嗪对某些肿瘤细胞系具有选择性毒性，但对其他肿瘤细胞系以及正常细胞影响较小。研究发现，这种选择性效果与ACE代谢为其(S)-羟基乙基丙嗪(ACE-OH)的代谢产物有关。随后，研究人员通过全基因组CRISPR筛选技术识别出TRIM21是(S)-ACE-OH诱导肿瘤细胞死亡的关键分子。

　　TRIM21作为一种先天免疫受体，在抗病毒免疫反应中扮演重要角色。通常情况下，它通过与抗体的Fc片段结合来识别并摧毁被抗体包裹的病毒。这种识别过程主要依赖于TRIM21的PRYSPRY结构域中的疏水口袋。通过对TRIM21的疏水口袋进行点突变研究，科研团队发现了关键氨基酸残基W381A和W383A对乙酰丙嗪活性的阻断作用，表明TRIM21与(S)-ACE-OH的结合位点与其结合抗体的Fc口袋位置重合。此外，D355A突变的结果增强了乙酰丙嗪对细胞的敏感性，这一发现进一步验证了TRIM21对(S)-ACE-OH细胞毒性的调控作用。

　　在研究TRIM21功能的过程中，团队发现(S)-ACE-OH可以通过TRIM21引发多个核孔蛋白的降解，如NUP35、SMPD4和GLE1，从而影响细胞核与细胞质之间的物质传输功能。利用CRISPR-suppressor扫描和PML-degron蛋白融合实验，研究人员确定了核孔复合体的靶蛋白NUP98为TRIM21的主要作用对象。随后，研究人员在体外实验中重构了(S)-ACE-OH、TRIM21和NUP98之间的三元复合物，并通过GST pulldown和等温滴定量热法(ITC)证实了(S)-ACE-OH作为分子胶的活性。这一发现意味着(S)-ACE-OH可以在细胞内促使特定的多聚蛋白与TRIM21结合，从而引发蛋白的特异性降解。

　　基于上述发现，研究团队利用X射线晶体学结构解析技术，获得了乙酰丙嗪代谢产物与TRIM21复合物的共晶结构，并以此为基础设计了新型TRIM21依赖的PROTAC分子——TrimTAC。这种TrimTAC分子在实验中显示出对多聚蛋白的选择性降解作用，而不会影响单体蛋白的稳定性。与传统的CRBN依赖的PROTAC相比，TrimTAC的多聚蛋白选择性降解能力来源于TRIM21的特性：当TRIM21结合多聚蛋白时，其RING结构域发生二聚化，激活E3泛素连接酶功能，诱导靶蛋白的降解。因此，TrimTAC为开发针对蛋白聚集相关疾病的精准疗法提供了新思路。

　　为验证TrimTAC在疾病治疗中的潜力，研究人员开展了对胞质DNA诱导的cGAS聚集体的选择性降解实验。cGAS是参与细胞抗病毒免疫的关键蛋白，其聚集与胞质DNA的免疫识别密切相关。这项实验展示了TrimTAC在降解病理性蛋白聚集方面的应用前景，尤其是在自体免疫性疾病的治疗上可能带来新的突破。

　　综上所述，本研究不仅揭示了(S)-ACE-OH作为TRIM21依赖分子胶的特性，还成功设计出具有选择性降解多聚蛋白功能的TrimTAC分子。由于蛋白异常聚集会导致多种严重疾病，包括神经退行性疾病、自身免疫疾病以及癌症等，TrimTAC技术展示了广阔的应用前景。目前，研究团队正在基于这些发现进一步合作，利用虚拟筛选技术寻找更多TRIM21配体分子，为TrimTAC药物的后续开发奠定坚实的基础。

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