FK506结合蛋白51 (FKBP51)支架功能的有效蛋白水解嵌合体的发现
文摘
科学
2024-02-18 20:05
天津
近日，德国达姆施塔特工业大学的Felix Hausch教授团队在Angew. Chem. Int. Ed上发表了题为《Discovery of a Potent Proteolysis Targeting Chimera Enables Targeting the Scaffolding Functions of FK506-Binding Protein 51 (FKBP51) 》的文章，该工作报道了第一个FKBP51-PROTAC的发现，并且对其正负协同机制的结构基础进行了解释，同时对其调节GR信号通路的生物学功能进行了研究。FK506结合蛋白51 (FKBP51)是Hsp90机制中的伴侣蛋白，也是类固醇激素信号传导的关键调节因子。特别是在糖皮质激素受体(GR)的背景下，FKBP51在一个超短反馈回路中起作用，抵消下丘脑-垂体-肾上腺轴的激活，微调应激反应。近年来，FKBP5成为了治疗多种疾病(包括抑郁症、慢性疼痛和肥胖)的一个潜在的靶点。最近对FKBP51:Hsp90:GR复合物的光交联和低温电镜研究表明FKBP51的FK506结合位点并不直接参与GR调控,这解释了FK506类似物有限的细胞功效。以往的FKBP51靶向策略仅限于占据FK506的结合位点，这并不影响FKBP51的核心功能。蛋白水解靶向嵌合体(PROTACs)是一种诱导靶蛋白降解的异功能分子，与占据功能活性位点有本质的区别, PROTACs可以消除蛋白的支架功能。因此，作者想通过FKBP51的PTOTAC策略来探索是否可以克服FKBP51占位策略的局限性。首先，作者通过组合15种不同的FKBP配体、5种不同长度的linker和3种E3连接酶配体，合成了220个不同的FKBP-PROTACs(Figure 1)。通过FKBP51-eGFP和FKBP12-eGFP荧光报告实验，作者初步验证了这220个PROTAC分子的降解活性，大部分PROTAC分子都能够显著降解FKBP12,只有极少数分子降解FKBP51（Figure 1C）。其中5a和6a系列对FKBP12降解活性最高（Figure 2A ,S2.1），在HEK293T细胞中加药处理24后，5a1和6a2对内源性FKBP12降解的DC50为20pM(Figure 1D , S2.1 C & S2.1D)。然而连接子长度为n=2的PROTACs 5a2和6a2，它们完全不降解FKBP12 (Figure 2A and S2.1 C & S2.1D)，在FKBP12的存在下，5a2和6a2与VHL的亲和性显著降低，显示出明显的负协同性(Figure 2C, S2.1G)。作者通过对FKBP51-6a2-VHL复合物的晶体结构研究发现在分子内氢键、π堆叠和广泛的分子内疏水接触的驱动下，6a2的vhl结合片段明显坍塌到FKBP12结合片段上(Figure 2E和2F),坍塌的构象阻止了与VHL的结合，解释了观察到的负协同性和缺乏降解活性(Figure 2G)。![]()
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为了提高FKBP51降解效率和选择性，作者选择了更倾向于降解FKBP51的14b1进行优化(Figure 1E)，得到了选择性和活性更好的PROTAC分子SelDeg51 (Figure 3A & B)。在哺乳动物HELA细胞中，SelDeg51时间依赖性的降解FKBP51， 24小时后降解达到最大(Figure 4A), washout 实验显示24小时后降解可逆(Figure 4B)，其发挥作用依赖于泛素蛋白酶体系统(Figure 4C, & D)。作者通过对FKBP51-SelDeg51-VHL复合物晶体结构研究发现VHL和FKBP配体都结合到相应的蛋白口袋,而LINKER主要暴露在溶剂区(Figure 3D & E),并且FKBP51和VHL之间存在直接接触(Figure 3G & F)，以分子胶样结合模式驱动积极的正协同相互作用。 ![]()
最后，作者对FKBP51对GR信号传导的影响进行了验证。在HeLa细胞中，SelDeg51能够以依赖于FKBP51的方式增强GR信号(Figure 4E)。相反，占据FK506结合位点的强效FKBP51配体18 (S-Me)并不影响HeLa细胞中的GR信号传导(Figure 4E)。SelDeg51的作用被过量的18 (S-Me)所消除(Figure4 E)。在A549细胞糖皮质激素抗炎模型中，SelDeg51增加了地塞米松诱导的内源性GR靶基因GILZ和FKBP5的表达(Figure 4F)，这反映了SelDeg51对FKBP51介导的GR信号抑制的消除。与SelDeg51相反，18 (S-Me)不影响地塞米松刺激的GILZ或FKBP5 mRNA表达。SelDeg51的作用被过量的18 (S-Me)所消除，这表明FKBP51降解相对于FKBP51活性位点占据具有显著的优势。 ![]()
综上，作者发现了第一个FKBP51-PROTAC，并在对其正负协同机制的结构基础进行了解释，优化得到了活性更好的SelDeg51，SelDeg51以分子胶样结合模式驱动积极的正协同相互作用，显著地降解FKBP51蛋白。与经典的FKBP51抑制剂相比，SelDeg51能够有效地激活糖皮质激素受体(GR)信号，突出了蛋白降解的增强效果。这项研究为FKBP51靶向的机制新方法提供了概念验证，为开发更有效的FKBP51靶向药物提供了基础。本文作者：LZ
