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题目：Targeted protein relocalization via protein transport coupling
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2024年9月18日
通讯作者单位：斯坦福大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07950-8
主要内容：
许多疾病是由于蛋白质在细胞中的错位引起的。已经开发出这个问题的一个潜在解决方案：帮助被置换的蛋白质与其他蛋白质一起返回正确位置的小分子。
细胞中的生物调节剂网络将蛋白质引导至适当的细胞区室。蛋白质定位的破坏是各种疾病的基础，例如癌症和神经系统疾病。作者报告小分子可以通过促进与“穿梭”蛋白质的相互作用来重新定位错位的蛋白质，这些蛋白质在细胞质和细胞核之间移动错位的蛋白质。
传统的小分子药物与靶蛋白相互作用以改变其活性。然而，许多治疗相关蛋白质的活性不能使用简单地与蛋白质结合的小分子来修饰。在过去的几年里，许多研究人员专注于使这些蛋白质与另一种生物分子接近的小分子，以获得进一步的治疗牵引力。这一概念激发了化合物的开发，这些化合物通过使靶蛋白被细胞降解而发挥生物学效应，通过诱导 DNA 转录或通过稳定蛋白质之间的相互作用等机制。
通过将小配体分子对连接在一起来促进这些努力——一个配体与靶蛋白结合，另一个配体与具有所需功能的生物分子结合（图 1）。因此，产生的双功能分子将目标蛋白和生物分子结合在一起。Ng 等人报告了这种方法的新方法：一系列称为靶向再定位激活分子 （TRAM） 的化合物，它们改变了靶蛋白的亚细胞定位。TRAM 是双功能分子，其中一种配体与靶蛋白相互作用，另一种配体与穿梭蛋白相互作用。
以前已有报道导致目标蛋白质被转运到细胞不同部分的小分子。然而，这些小分子必须与工程穿梭蛋白共同给药，从而降低了它们在临床中使用的潜力。Ng 和同事开始通过为几种天然存在和工程化穿梭物鉴定小分子来克服这一限制。他们表明，这些配体可以掺入双功能小分子中，以改变结合靶蛋白的亚细胞定位。
Ng 及其同事研究的起点是以前使用的双功能分子，带来两种蛋白质（ecDHFR 和 FKBP12F36V 系列） 移动到附近。为了将其用作 TRAM，作者通过附加核输出序列 （NES） （一种导致蛋白质从细胞核输出到细胞质的短氨基酸序列）并将 ecDHFR 转化为穿梭蛋白，并添加荧光标签进行检测。TRAM 的靶蛋白是 NMNAT1，这是一种包含单个核定位序列（一种标记蛋白质输入细胞核的氨基酸序列）的蛋白质。作者将 NMNAT1 与 FKBP12 融合F36V 系列这样所得的蛋白质就会被 TRAM 识别，并贴上不同的荧光标签进行检测。
然后，研究人员使用双功能分子将两种工程蛋白靠近，并监测所得穿梭靶标复合物进出单细胞核的输入和输出。他们用显微镜观察荧光标记物，以量化细胞核和细胞质中每种蛋白质的含量。实验表明，携带单个 NES 的穿梭车足以将靶蛋白从细胞核输出到细胞质。这表明，通过使用双功能小分子和蛋白质穿梭，可以克服靶蛋白上的定位信号。
因为 ecDHFR 是一种细菌蛋白，所以 Ng 等人。接下来检查了哺乳动物穿梭车是否可用于重新定位靶蛋白。作者选择研究两种哺乳动物核蛋白（激素受体）作为潜在的穿梭子，因为已经确定了导致这些受体从细胞质输入细胞核的小分子配体。果然，当作者在与任一激素受体结合的 TRAM 中使用这些配体时，他们观察到各种标记有 FKBP12 的靶蛋白F36V 系列可以不同程度地导入到细胞核中。有趣的是，蛋白质定位可以双向进行——从细胞质到细胞核，反之亦然——这取决于穿梭机和靶标的配对，揭示了核进口国和出口国活动之间的复杂关系。输出和输入的数量还取决于细胞中穿梭物和靶蛋白的相对水平。
Ng 等人继续研究 FUS 蛋白的突变形式作为靶标。这种 FUS 突变体与神经退行性疾病运动神经元病（也称为肌萎缩侧索硬化症，ALS）密切相关，并且已知从细胞核错误定位到细胞质。令人兴奋的是，作者发现他们的 TRAM 易位了用 FKBP12 标记的突变体 FUSF36V 系列体外从细胞质到人体细胞核。这导致细胞中应激颗粒（ALS 特征的细胞质结构）数量减少，表明蛋白质重新定位可能具有治疗效用。
尽管研究结果表明核激素受体可以成为有效的穿梭物，但这些受体在非工程细胞中的低表达可能会阻碍它们的广泛使用。为了解决这个问题，Ng 等人确定了两种可用作穿梭病毒的高表达蛋白：一种称为 METAP2 的核输出蛋白;以及核进口国 PARP1。使用先前报道的 METAP2 和 PARP1 小分子配体，作者开发了与这些蛋白质中的任何一种和 FKBP12 结合的 TRAMF36V 系列.然后，作者使用基因编辑技术构建细胞，这些细胞表达与 FKBP12 融合的三个蛋白质靶标之一F36V 系列，并表明 TRAM 与穿梭蛋白结合以改变标记靶蛋白的定位。
最后，Ng 等人证明 TRAMs 可以在体外使用，将工程化的神经保护蛋白从小鼠神经元的细胞核输出到神经元的轴突投射。这增加了蛋白质的保护特性，并有助于损伤后轴突的恢复。
在实现这一策略的全部潜力之前，仍然存在几个障碍。例如，TRAM 必须以化学计量方式使用，这意味着穿梭和靶蛋白的每个分子都需要一个小分子。因此，重定位的程度将受到细胞中靶分子和穿梭分子的相对水平的高度影响。相比之下，其他邻近诱导的小分子可以亚化学计量使用，因为它们会导致形成的复合物周转，从而释放出小分子以供后续再利用。有必要了解穿梭-靶复合物的稳定性如何影响复合物在蛋白质重新定位后分解的趋势，以及由此产生的对靶蛋白所需功能的影响（例如，酶抑制与激活）。
未来的研究还应调查是否可以在细胞核和细胞质以外的细胞部分（例如在细胞膜中或线粒体等细胞器中）找到穿梭蛋白的配体。此外，结合 FKBP12 以外的靶蛋白的配体F36V 系列需要，以表明可以制造出重新定位广泛目标的 TRAM。更具体地说，对于药物发现，必须首先确定具有挑战性的治疗靶点的配体。
药物发现的另一个问题是 TRAM 比典型的小分子治疗药物大，这意味着它们的物理和化学性质往往不适合药理活性。这可能不是问题，因为类似的双功能分子正在向临床发展。尽管如此，识别可以促进相同邻近诱导功能的较小分子可能是有益的。与此同时，Ng 及其同事的发现为 TRAM 用作调查（从长远来看，可能治疗）由蛋白质错误定位引起的疾病的工具提供了强有力的基础。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07950-8
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