NIBS 学者 eLife 发现新的介导蛋白降解的分子胶

来源: 生物通 / 作者: 2020-09-16
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传统的小分子药物靶点大多是具有成药口袋的蛋白(例如蛋白激酶和 G 蛋白偶联受体),这类蛋白约占蛋白质组的 20%。近年来兴起的靶向蛋白降解(targeted protein degradation)技术为剩下的 80% 的蛋白靶点提供了成药策略,因此获得了学术界和工业界的广泛关注。2020 年 8 月 17 日,北京生命科学研究所 / 清华大学生物医学交叉研究院韩霆 / 齐湘兵课题组合作在 eLife 杂志在线发表了题为 “Discovery of a molecular glue promoting CDK12-DDB1 interaction to trigger cyclin K degradation” 的研究论文。

分子胶(molecular glue)是一类作用于蛋白与蛋白相互作用界面的化学小分子,是众多靶向蛋白降解技术中成药性较好,但也是难度较大的一个分支。韩霆 / 齐湘兵课题组通过高通量小分子化合物筛选发现了一类新的分子胶 HQ461,并且利用化学遗传学和生物化学重组,揭示了 HQ461 通过诱导 CDK12 和 DDB1 的相互作用,导致 CDK12 结合蛋白 cyclin K 多泛素化和降解的作用机理。

NRF2 在近四分之一的肺癌中过表达,通过识别抗氧化识别元件(ARE)来激活下游基因表达,是造成癌症细胞增殖和耐药性的关键转录因子。该研究的出发点是筛选拮抗 NRF2 活性的小分子抑制剂,通过在肺癌细胞系 A549 中利用抗氧化识别元件 - 荧光素酶(ARE-luciferase)报告基因系统对 65790 种化合物进行筛选,发现候选化合物 HQ461 能够降低 ARE-luciferase 的活性,并且具有杀伤癌症细胞的能力。但是,野生型和 NRF2 敲除的 A549 细胞对 HQ461 的敏感性没有显著差异,说明 NRF2 不是 HQ461 杀伤癌症细胞的直接靶点。

为了解析 HQ461 杀伤癌症细胞的作用机理,科研人员首先进行了全基因组 CRISPR-Cas9 筛选,发现 E3 泛素连接酶 CUL4-DDB1-RBX1 的缺失造成细胞对于 HQ461 产生耐药性,暗示 HQ461 通过 CUL4-DDB1-RBX1 依赖的蛋白降解系统发挥功能。为了寻找被 HQ461 诱导降解的功能底物,科研人员利用直肠癌细胞系 HCT-116 进行了第二轮遗传筛选。HCT-116 细胞系由于 MLH1 基因的缺失造成 DNA 错配修复通路的缺陷,从而能够自发产生大量的点突变。通过 HQ461 处理 HCT-116 得到多个 HQ461 抗性克隆,然后利用全外显子组测序技术发现这些抗性克隆中重复出现了 CDK12 G731E 或 G731R 突变。在 A549 中原位敲入这两个点突变都能使细胞产生 HQ461 抗性。

CDK12 通过与 cyclin K 形成二元复合物来发挥转录调控的生物学功能。通过免疫印迹实验发现,HQ461 并没有直接影响 CDK12 蛋白的稳定性,而是造成了 cyclin K 蛋白的降解。

通过一系列的生物化学和生物物理学实验证明 HQ461 具有分子胶活性。HQ461 促进 CDK12 和 DDB1 的相互作用,造成 cyclin K 的多泛素化和降解。DDB1 是 CUL4-DDB1-RBX1 E3 泛素连接酶的接头蛋白,通过结合不同的底物受体蛋白来识别和降解特异的底物。在 HQ461 诱导 cyclin K 降解过程中,CDK12 充当了底物受体的角色。研究人员对于 HQ461 进行了结构活性关系的分析,发现了 5 - 甲基噻唑 - 2 - 胺药效基团的重要性,并优化得到了具有更强诱导 cyclin K 降解活性的 HQ461 衍生物。

韩霆实验室博士生吕陆、操龙志与齐湘兵实验室的博士生陈珮豪是本文第一作者,韩霆实验室李亚梅、曾志、崔悦,齐湘兵实验室吴青翠、李娇娇和董梦秋实验室王建华对本工作有重要贡献。该研究由科技部、北京市科委、清华大学资助,在北京生命科学研究所完成。

原文标题:

Discovery of a molecular glue promoting CDK12-DDB1 interaction to trigger cyclin K degradation

https://elifesciences.org/articles/59994

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