Nat. Chem. Biol. | 嵌合体诱导蛋白精氨酸甲基化激活溶酶体蛋白降解通路
学术
2024-10-23 17:58
北京
大家好，本周推荐一篇发表在Nat. Chem. Biol.上的文章，题目为“Methylarginine targeting chimeras for lysosomal degradation of intracellular proteins”，通讯作者是UCI的Lauren V. Albrecht 教授，课题组的研究方向是细胞内信号传导通路。近年来，药物开发的范式经历了从单纯的小分子抑制剂到泛素介导的蛋白降解引发剂的变化，依据后者的原理开发出的药物又称为PROTAC药物。鉴于泛素化降解蛋白是目前唯一一个已经应用于实际的利用细胞内原有通路降解蛋白的技术，发展新的降解通路将有利于扩展可降解目标蛋白的范围。在先前的研究中，团队发现精氨酸甲基转移酶（PRMT）可以将目标蛋白的精氨酸甲基化，该甲基化修饰随后介导溶酶体降解蛋白通路，但是还没有人将该通路改造为可以人为指定目标降解蛋白的路径。于是团队开发了叫MrTAC的技术来尝试利用这一天然的降解通路。MrTAC技术的基本设想是通过合成一个双功能分子，包含三个部分：目标蛋白结合端、linker、PRMT结合端。该分子可以将目标蛋白与PRMT的距离拉近从而使得PRMT对目标蛋白进行甲基化，致使目标蛋白随后被溶酶体水解。为了构建起该方法的基本实验流程并验证方法的有效性，团队将HEK293细胞的基因进行改造，得到了可以表达带SNAP-tag识别区域的GSK3β蛋白的工程细胞。随后团队合成了SNAP-tag—Linker的单功能分子，该分子不可以招募PRMT。他们将这一结构命名为MrTACHaxS8。经过实验验证他们发现MrTACHaxS8可以招募到GSK3β，且存在一个最佳浓度。因为没有PRMT的招募端，所以MrTACHaxS8只能招募目标蛋白而无法引发降解。随后他们合成了SNAP-tag—Linker—Halo-tag的双功能分子并将其命名为MrTAC。该双功能分子可以同时招募到GSK3β与PRMT，并且成功介导了GSK3β的降解。为了解释MrTAC的工作机制。团队首先通过荧光标记，确定了GSK3β的降解是位于溶酶体中。通过加入溶酶体抑制剂，再次验证了该通路受到溶酶体活性的影响。因为溶酶体吞噬途径有三种，团队希望阐释MrTAC涉及的通路究竟是其中的哪些。通过加入途径抑制剂和敲除途径相关蛋白的基因，发现是VPS4途径起作用。为了证实PRMT确实对GSK3β进行了甲基化修饰，团队进行了质谱的实验，最终确定PRMT对GSK3β的96,102,111位置的精氨酸进行了二甲基化修饰。为了证实该甲基化过程对蛋白降解十分重要，团队构造了表达突变的PRMT的工程细胞，该突变PRMT可以被MrTAC招募但无法行使甲基化的功能。发现突变PRMT的细胞中GSK3β的含量并没有明显降低，证明PRMT造成的甲基化修饰是溶酶体降解目标蛋白的关键。当细胞缺少GSK3β时，细胞的增殖会受到增强。团队在敲除GSK3β和加入MrTAC的细胞中均观察到细胞增殖的速度加快，说明该方法可以起到与敲除基因相似的表型变化。随后，团队通过同样的手段改造工程菌，使其表达特殊的MYC蛋白（MYC蛋白加上SNAP-tag的识别序列）。在相同的实验步骤下得到了相似的实验结果，证明该方法有一定泛用性。最后团队将该方法应用于BRD4和HDAC6蛋白上，利用JQ1与BRD4识别以及SAHA与HDAC6识别的特性，分别构建了JQ1 ligand-linker-Halo-tag和SAHA ligand-linker-Halo-tag两种MrTAC结构，实现了在没有对目标蛋白进行SNAP-tag识别序列的人为添加前提下对细胞内目标蛋白的降解。并且对细胞表型的影响与敲除相应基因时相似。总而言之，文章开发了一种非泛素依赖的利用细胞内溶酶体通路降解蛋白的方法。该方法是对PROTAC技术的补充，有利于扩大可降解蛋白的范围。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41589-024-01741-y原文引用：10.1038/s41589-024-01741-y
