原创 | 蛋白保护主义:DUBTAC问世

来源: 美中药源  2021-05-12 A- A+

这个月加州大学伯克利分校的Nomura小组在bioRxiv上传了一篇化学诱导去泛素的论文(Nomura DUBTAC 2021.pdf)。这个叫做DUBTAC的技术与现在火热的诱导蛋白降解技术PROTAC思路类似、但功能相反,是通过双功能分子诱导去泛素酶(DUB)选择性水解目标靶点的泛素、从而降低目标蛋白的降解。作者因为从事蛋白组学研究多年,首先搜寻了自己以前用不可逆探针研究中有哪些DUB可以被这些探针标记、有哪些可以选择性标记非催化半胱氨酸(这个很重要),最后找到一个叫做OTUB1的DUB。然后作者用一个不可逆OTUB1配体与一个上市药物、变异F508-CFTR 受体修复剂lumacaftor用短链接起来成为第一代DUBTAC,并显著降低变异F508-CFTR的降解速度。这个选择性很差配体做成的DUBTAC选择性还不错,270个标记蛋白只有5个可能与OTUB竞争。Nomura是著名化学生物学大牛Cravatt弟子之一,这个工作很多关键技术来自Cravatt。

药源解析

随着一代PROTAC药物进入临床并显示一定疗效和安全性,蛋白降解正在成为小分子药物开发的一个重要前沿。除了降解胞内蛋白的PROTAC,还有降解膜蛋白的ENTAC、胞外蛋白的LYTAC、降解RNA的RIBOTAC、诱导自噬的AUTAC、和单功能分子胶。沿着类似思路用双功能分子把磷酸酶(PHICS)、激酶与靶向蛋白配对改变磷酸化水平也有人在做,理论上很多蛋白表达后修饰机制都可能通过这些双功能分子来引导。泛素、去泛素与磷酸酶、激酶关系一样,一个红脸一个白脸共同调控泛素化这个关键功能。这是第一个公开发表的DUBTAC,除了功能之外其它性质目测都与PROTAC比较相似。

尽管DUBTAC看起来是个与PROTAC非常接近的概念,但具体执行起来还是有很多关键的不同。一是配体结合点。PROTAC靶向的E3主要是个骨架蛋白,但DUBTAC的DUB需要保留催化功能。你的配体如果与催化腔结合即使可以把DUB与靶点蛋白拉到一起,但如果结合腔已经被DUBTAC占据那还是无法撕下靶点蛋白的死囚令。作者为了筛选与活性腔半胱氨酸有足够选择性的别构腔半胱氨酸配体花了不少力气。二是这两个技术对这两个酶活性的要求可能不同。PROTAC可能只需要低水平泛素化靶点就可以一点点把目标蛋白降解,但DUBTAC可能需要把绝大数泛素都水解才能避免靶点被降解。当然这个要求是理论上的,这篇文章发现只要OTUB有60%被DUBTAC占据就可以保护CFTR。一个相关的障碍是DUB的胞内浓度,我记得OTUB至少在某些细胞的浓度高达1uM、所以60%的占有率也不是容易做到的事情。最后PROTAC对目标蛋白的泛素化水平要求不高,但DUBTAC要起作用目标蛋白首先要已经被泛素化。

有些蛋白降解掉有助于疾病治疗、但有些蛋白需要保护。比如作者挑选的这个CFTR 受体是引起囊肿性纤维化的原因, F508变异是最主要的变异、该受体因此变得不稳定被提前降解。此前制药界的策略是用各种小分子药物来稳定这个受体结构、增加受体在细胞膜蓄积等。福泰的三药组合已经是超重磅药物、其中Kalydeco曾是第一个FDA突破性药物,一个患者母亲把该药物分子结构纹在自己脚背上、以示感谢。CF是个非常残忍的疾病,曾有一个叫做《相隔5码》的电影描写这些青少年的生活。现在的小分子药物已经大大改善了CF治疗,但用不同机理增加CFTR可能提供新的收益。当然除了CFTR还有很多蛋白需要保护,最有名的当属肿瘤四大名捕之首的p53。

E3和DUB都有很多,但除了少数几个有相对高活性配体、 无论E3还是DUB要找到分子量较小的高活性配体都不容易。今天这个工作选择了低悬的共价配体,这是个风险较高的策略。即使你的DUBTAC与其它DUB没什么瓜葛、但任何脱靶蛋白与这么大的分子发生化学反应都是一件让人担心的事情。和PROTAC一样DUBTAC也是药代性质难以优化的柔性高分子量化合物,开发面临类似障碍。泛素水平在蛋白降解复杂调控过程中也不一定总是限速步骤,比如泛素化的蛋白还需要被ATP酶从细胞膜、组蛋白等大结构中提取出来,如果这个过程掉链子还是无法降解或保护靶点蛋白。不过最近各种TACs的发明令小分子药物开发有了令人振奋的前进方向,希望能有真正的颠覆性疗法从这些技术中产生。

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