双功能小分子诱导靶蛋白的重定位
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科技
2023-12-28 16:24
北京
近日哈佛大学化学与化学生物学系的Stuart L. Schreiber教授团队在Journal of the American Chemical Society上发表了一篇题为“Bifunctional Small Molecules That Induce Nuclear Localization and Targeted Transcriptional Regulation”的工作，该工作利用双功能化合物调控蛋白质的细胞定位来探究其在治疗蛋白异常定位疾病方面的潜力。细胞将自身分成不同的区室来调控信息并聚集生物分子。蛋白质通常会位于特定的区室内，其在细胞中的异常定位是多种疾病发生发展的关键因素，包括癌症和神经退行性疾病。这篇工作尝试利用化学邻近诱导技术可以用来诱导通常存在于对立区室中的蛋白质的共定位，从而将蛋白质从正常位置转移到一个新的位置。首先，他们将BET蛋白的高效配体JQ1与FKBPF36V高效配体AP1867连接得到双功能小分子NICE-01，并在共转染FKBPF36V-mEGFP和mCherry-BRD4的细胞中观察到NICE-01所诱导的FKBPF36V-mEGFP的快速核定位，这种现象能够被高浓度的JQ1或AP1867通过竞争性抑制回补。此外，这种核定位效应受到核定位载体表达的影响，因此用内源性的BET蛋白效果较弱。随后他们通过一系列实验证明了双功能小分子通过结合BRD4诱导靶蛋白的核隔离从而阻碍靶蛋白出核，最终导致靶蛋白在细胞核内的聚集（图1）。![]()
图1
其次，他们通过NPM1蛋白来探究化学诱导蛋白定位在癌症治疗上的潜力。急性髓系白血病最常见的亚型是NPM1基因的杂合突变，该突变导致NPM1基因在细胞质内的异常定位。先前研究表明将突变体NPM1c重新定位到细胞核内可降低HOX基因的表达，从而诱导白血病分化和细胞死亡。实验结果表明，共转染FKBPF36V-mEGFP-NPM1c和mCherry-BRD4的细胞经NICE-01处理后，FKBPF36V-mEGFP-NPM1c在几分钟内迅速重新定位到细胞核内。并且他们观察到FKBPF36V-mEGFP-NPM1c与mCherry-BRD4的蛋白比例影响靶蛋白入核的程度，比例越高，入核越不完全。此外，他们还观察到双功能化合物不仅可以促进蛋白质在大区室内的共定位，而且可以促进蛋白质在小的细胞内区室内的共定位，如相分离凝聚物（图2）。接着他们想测试其他核载体如p53是否能诱导NPM1c的核定位。但他们意外发现在共转染FKBPF36V-mEGFP-NPM1c与Halo-p53R273H-mCherry的细胞系中，p53反而被重新定位到了细胞质，他们认为NPM1c介导的p53出核可能是该突变致癌性的重要原因（图3）。![]()
图3
最后他们想通过化学邻近诱导技术诱导转录因子入核从而促进转录反应。他们选择了IRF家族的原型成员IRF1作为例子。当用NICE-01 (250 nM)处理时，他们能够观察到共表达mCherry-BRD4和FKBPF36V-mEGFP-IRF1-NES的细胞中mEGFP的快速入核，但内源性BRD4不能够产生显著的现象。尽管如此，他们还是能在内源性BRD4的细胞系上观察到 IRF1的ChIPseq靶标 IFI6、MT2A、 IFI1、B2M的显著上调，并且他们还通过基因集富集分析观察到标志性干扰素应答基因集的显著阳性富集。综上，他们证明化学诱导BRD4与细胞质转录因子共定位能够诱导其靶基因的表达（图4）。总结一下，本文使用同时靶向FKBPF36V和BRD4的双功能小分子诱导靶蛋白的重定位，这种双功能重定位分子将在科学发现和疾病治疗中发挥重要的功能。
