近年来，利用细胞内蛋白质水解机制降解靶向蛋白质的技术层出不穷，但大多数技术还停留在培养细胞等体外应用阶段。由日本理化学研究所生命医科学研究中心团队负责人谷内一郎、基础科学特别研究员山下基和国立遗传学研究所分子细胞工学研究室教授钟卷将人等组成的联合研究团队，开发出了在小鼠体内降解靶向蛋白质的新技术。该技术不仅有望作为新的生物学实验方法广泛应用于高效、快速地从生物体中清除靶向蛋白质，而且还可以在体内再现抗体药物和分子靶向药等针对特定蛋白质的药物效果，为药物发现研究做出贡献。相关研究成果已发表在《Nature Communications》上。
团队负责人谷内一郎（左）和基础科学特别研究员山下基（供图：科学新闻社）
此前多使用基因敲除等方法研究基因的功能，近年来又出现了将目标基因本身产生的蛋白质从细胞或生物体中移除的研究。
在细胞内，存在可将不需要的蛋白质泛素化并由蛋白酶体降解的机制。因此，靶向蛋白质降解技术是通过调整介导泛素化的泛素连接酶复合物的特异性来诱导靶向蛋白质泛素化和降解的。其中，使用降解子序列的靶向蛋白水解技术用途非常广泛。降解决定子序列是在降解决定子系统激动剂存在的情况下会被泛素连接酶复合体识别并发生泛素化的短肽序列，之后它会与目标蛋白融合，在激动剂作用下诱导目标蛋白降解。
目前已开发出了多种靶向蛋白水解技术，但大多数还停留在培养细胞等体外应用阶段。如果能在体内自由诱导靶向蛋白降解，则有望在更多生理条件下揭示靶向蛋白的功能，并应用于药物发现研究。
此次研究团队在小鼠模型中开发了利用降解决定子系统的体内靶向蛋白质降解技术。首先，为了控制细胞类型特异性泛素连接酶的表达，将小鼠以外的其他生物的泛素连接酶复合体成分（人类的hCRBN基因和禾本科植物的OsTIR1基因）引入小鼠基因组，并建立了2个小鼠品系。此后，使用Cre-LoxP系统可在选定的细胞类型中诱导这些基因的表达。
第一个目标基因是细胞核中名为Satb1的基因组组织者。这是因为研究人员已经建立了可通过荧光检测降解生物动力学小鼠的缘故。研究人员在小鼠基因组的Satb1基因座上引入了由hCRBN识别的SALL4降解子序列（S4D）和由OsTIR1识别的生长素诱导蛋白快速降解序列（mAID），产生了2种表达这些融合蛋白的小鼠品系。
为了让降解系统工作，研究人员给S4D品系的小鼠腹腔注射了免疫调节剂沙利度胺衍生物泊马度胺，给mAID品系的小鼠腹腔注射了植物激素辅助素衍生物，结果观察到靶蛋白Satb1在给药后数小时内发生了降解。研究发现，除血液外，这两种品系还能诱导胸腺、脾脏、淋巴结、肺、肠道和大脑等多个器官中的Satb1降解。
虽然很难给胎鼠与新生鼠腹腔注射配体，但研究发现，给怀孕和哺乳母鼠腹腔注射配体也可诱导胎鼠和新生鼠体内Satb1的降解。
研究人员在为母鼠腹腔注射单剂量配体后，按照时间推移测量血液T细胞（淋巴）中Satb1蛋白水平，发现在这两个品系中，Satb1蛋白的含量都在配体给药后几小时内减少到了原来的10%左右。AID2品系需要大约3天时间才能恢复到原来的水平，而S4D品系通过更换溶解药物的溶剂，可在24小时内恢复到原来的水平，降解状态可维持10天以上。山下研究员说：“通过改变溶剂，可以改变维持蛋白水解的时间。”
当对非目标蛋白质动态进行调查时发现，在S4D品系中，除了目标蛋白质外，与S4D分子相似的蛋白质也会发生降解，而在AID2品系中，除了目标蛋白质外，很少有蛋白质被降解，这表明其底物特异性很强。团队负责人谷内说：“我们认为，由于禾本科植物的遗传起源较远，因此更具特异性。”
此外，研究还发现，作为免疫检查点抑制剂靶标的膜蛋白PD1也能够被降解。当以CD8+T细胞特异性方式降解PD1时，可激活T细胞并增强抗肿瘤免疫力。
研究团队负责人谷内说：“我们培育的小鼠品系存放在理化学研究所生物资源中心，希望更多的人都能使用。”
原文 ：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Cell-type specific, inducible and acute degradation of targeted protein in mice by two degron systems
DOI：10.1038/s41467-024-54308-9
