全新的蛋白降解机制：分子内二价胶水
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2024-02-29 15:45
北京
近期，英国邓迪大学的Ciulli课题组与奥地利科学院CeMM分子医学研究中心的Winter课题组合作，在Nature上发表了一篇题为“Targeted protein degradation via intramolecular bivalent glues”的工作。该工作揭示了一类新机制的降解剂，其可顺式连接靶蛋白相邻的两个结构域，通过构象改变增强靶蛋白与E3连接酶之间的结合力，最终导致靶蛋白的降解。
IBG1是专利报道的一个类PROTAC的降解剂（图1 a），其是由BET抑制剂JQ1和DCAF15的芳基磺酰胺配体E7820连接而成，能够在多个细胞系中诱导BRD4的高效降解（图1 b）。实验结果表明，IBG1诱导的BRD4降解依赖于蛋白酶体途径（图1 c, d），但与DCAF15无关（图1 f）。![]()
为了弄清IBG1的机制，研究者进行了正交的CRISPR-Cas9筛选（图2 a）。他们发现CRL4–DCAF16复合物中的蛋白对IBG1的活性是必须的（图2 b），敲除DCAF16和CUL4相关的泛素结合酶UBE2G1对IBG1活性的影响最为显著（图2 c）。此外，他们的研究表明IBG1中E7820的结构片段并不负责招募DCAF16，但对IBG1的降解活性至关重要。![]()
随后，他们分别使用了ITC实验（Kd = 567 nM，图3 a）和TR-FRET实验（Kd = 712 nM，图3 c）在体外测试了IBG1、DCAF16和BRD4Tandem（由native linker将BD1和BD2连接起来的BRD4结构片段）之间的结合力。他们的结果表明，在不加入IBG1时，DCAF16和BRD4Tandem本身存在较弱的相互作用，而IBG1的加入增强了这种相互作用。但是，这种相互作用需要BD1和BD2同时存在，分开的BD1和BD2与DCAF16之间不存在相互作用。接着，他们通过一系列细胞内的实验证明，与其他靶向BET蛋白的PROTAC不同，IBG1需要两个BRD4溴结构域同时参与，单个溴结构域不足以诱导降解。此外，他们尝试对IBG1选择性降解BRD2、BRD4的现象做出解释（图3 f）。他们通过将BRD4Tandem中的各部分替换为BRD2或BRD3中的相应结构后发现，BD2决定了IBG1的选择性。![]()
为了进一步解释IBG1的作用机制，他们通过cryo-EM解析了复合物结构（图4 a）。结构信息表明，DCAF16连接了BRD4和DDB1，且在IBG1的作用下，BD1和BD2两个结构域同时与DCAF16产生相互作用。令人意外的是，IBG1中的JQ1母核结合BD2，E7820母核结合BD1。基于此，他们猜测两个高亲和力的溴结构域配体组成的双功能化合物可能具有更好的降解活性。他们保持linker不变，将E7820部分替换为JQ1，得到IBG3（图4 g）。实验结果表明，IBG3是一个更高效的分子内二价胶水。![]()
此外，他们还关注到了另一个已发表的BRD4降解剂IBG4（图5 a）。IBG4中的吡唑并嘧啶结构拥有与IBG1中的E7820结构相似的BRD4溴结构域亲和力，能够以分子内二价胶水的机制诱导DCAF11对BRD4的选择性降解（图5 e）。同样的，DCAF11和BRD4之间本身存在较弱的相互作用，而IBG4的加入增强了这种相互作用（图5 f, g）。![]()
综上，他们通过结构解析揭示了一个全新的降解机制：小分子诱导靶蛋白的双结构域二聚化，通过修饰蛋白质表面调节靶蛋白与E3连接酶之间的相互作用，最终导致靶蛋白经泛素-蛋白酶体途径的降解。本文作者：NZH
