蛋白质降解突破性发现：哈佛中国博士生阐明蛋白质cereblon的选择机制， 为设计新型靶向药物注入更多可能

蛋白质降解突破性发现：哈佛中国博士生阐明蛋白质cereblon的选择机制， 为设计新型靶向药物注入更多可能

来源：DeepTech深科技 2023-01-17 09:59

“一位审稿人表示‘对我而言这是一篇年度论文’，另两位评审专家认为这是蛋白降解领域突破性的发现。他们都希望早日看到论文正式问世。

一位审稿人表示 对我而言这是一篇年度论文 ，另两位评审专家认为这是蛋白降解领域突破性的发现。他们都希望早日看到论文正式问世。

此外，这项工作也有幸获得新晋诺奖得主、PROTAC 的发明者、以及 cereblon 蛋白的发现者和命名者 Joseph Higgins 等学者的关注及赞赏。 哈佛大学化学与化学生物系博士生徐文青表示。

▲图 | 徐文青（来源：徐文青）

她说，针对此前蛋白降解领域内一直备受关注、却未能解决的问题，这篇由其担任共同一作的论文，做出了开创性贡献。

此前有研究显示，对于一些调节药物比如沙利度胺和来那度胺来说，cereblon 是它们的靶标 [1]。

其中，2021 年来那度胺的全球销售额高达 128 亿美元, 位列所有小分子药物销售额第二名，在临床治疗中可谓举足轻重 [2]。

也有研究显示，这些药物在和 cereblon 结合之后，好几种对癌细胞有利的蛋白，都会被泛素标记（可以理解为给蛋白贴垃圾标签）。并且，被送到细胞中的蛋白酶的降解，会起到抑制或杀死癌细胞的作用。

自从人们发现 cereblon 能和这类分子结合之后，科学家借此发展出了另一种蛋白降解技术 PROTAC（Proteolysis targeting chimera，蛋白水解靶向嵌合体）[3]，这种分子由 E3 酶的配体、靶标蛋白的配体、以及连接它们的衔接物组成。

PROTAC 分子具有易设计、能高效实现目标蛋白的降解等优势。研究显示，当把度胺类物质嵌在 PROTAC 内，仍可以被 cereblon 加以运用 [4]。

目前，已有 15 种 PROTAC 分子被用于癌症治疗的临床试验中。其中，有 10 种分子运用 cereblon 的配体，并通过 cereblon 对目标蛋白进行泛素化，从而实现降解 [5]。

由此可见，对于既存的明星药物、以及未来的药物开发，cereblon 都有着非凡的作用。

但是，核心问题之一在于，尽管人们一直使用 cereblon 去标记疾病相关的非自然新底物，并能导致其降解。然而，对于 cereblon 本身我们却知之甚少。

而此次工作发现并阐明了 cereblon 的内源性底物和选择机制：即它能与什么样的自然结构做结合？以及它在我们身体里有着怎样的功能？

有趣的是，徐文青发现这些 cereblon 结构，与免疫调节药物的结构类似，并可以形成识别性的竞争。

同时，她和同事详细研究了这类环状酰亚胺的结构，到底如何在生理性条件下形成和水解，并发现这些结构的形成会导致蛋白质不可逆的切断和损伤。

另外，cereblon 也很可能是一个 清道夫 ，可以识别、并即时降解这些损害对于免疫调节药物的副作用。

而传统的度胺类药物，倾向于标记一些特定的非自然底物，这可能会导致一些副作用。因此，多肽环状酰亚胺的化学结构，可以代替来那度胺等药物来作为 cereblon 的配体，进而促进分子胶水和 PROTAC 的药物设计。

事实上，在二十世纪五六十年代，沙利度胺原本被用于治疗妊娠呕吐的镇静剂，后因致使胎儿畸形被迫退出市面。

研究发现，沙利度胺的致畸性，跟它能让 cereblon 认知某些非自然底物有关 [6]。徐文青希望实现的是，基于自然配体设计的药物，不仅不会带来这些副作用，同时对于新靶向药物的设计和优化，还能提供化学上的多样性。

在不同物种里学界都曾发现过 cereblon，出现 cereblon 突变的患者也被发现了不同程度的神经障碍，这也正是 cereblon 的命名由来 [7]。

因此，研究 cereblon 的自然底物和生物作用，能让我们对疾病机理、以及潜在靶点产生更深刻的认知。

（来源：Nature）

cereblon 具备清除蛋白损伤的功能

据徐文青介绍，对于 cereblon 的自然配体和功能 这一大方向，一直都是其导师的兴趣所在，后者曾提出过若干不同的假想。

成立实验室不久，Christina 一直在探索如何发现并验证不同的假说，后于 2020 年初定下此次课题，并让徐文青参与研究。

在徐文青加入实验室一个月后，论文一作 Saki Ichikawa 有了初步发现：即把某个 PROTAC 中的沙利度胺结构，换成二肽环状酰亚胺之后，仍然可以降解目标蛋白。

期间，他们在 PROTAC 分子中成功证实、并扩展了初始发现。当时，对于这个结构，该团队提出了如下假说：cereblon 认知的环状酰亚胺，究竟是一种小分子代谢产物、还是在蛋白质上翻译之后的修饰？

2020 年，课题组探究了前者的可能性，但却并无收获。后来，另一位论文一作 Hope A. Flaxman 发现，当环状酰亚胺被嵌进一个非 cereblon 底物蛋白、比如绿荧光蛋白时，这个蛋白会被 cereblon 加以认知、泛素化、并在最后被降解。

这证明：环状酰亚胺的蛋白降解子，很可能来源于蛋白质上的修饰。研究中，徐文青帮助其他两位共同作者做了一些生物实验，也对环状酰亚胺的检测方法予以优化。在量化蛋白质的环状酰亚胺上，建立了一则有效的方法。

借此徐文青证实：在不同的细胞、以及组织的蛋白组中，都广泛存在环状酰亚胺的修饰。并且，在温和的生理性条件中，它们可以在多肽或重组蛋白中，通过链断的形式自发地形成，完全无需借助催化作用。

运用类似的方法，徐文青又发现：当细胞比对照组受到 cereblon 的基因敲除、或者被投入来那度胺之后，会产生更多的环状酰亚胺、及其水解产物。

因此，她得出如下结论：在 PROTAC 和人为设计的非自然蛋白质中，环状酰亚胺能与 cereblon 结合。而且，自然内源蛋白组中的蛋白降解子，也会受到 cereblon 的调节。

cereblon 的化学性或基因性阻断，会导致修饰的自发性生成，而链断产物的持续累积，会损害生物的正常功能。这说明，cereblon 具备清除蛋白损伤的功能。

（来源：Nature）

研究中 热血 的一刻

介绍此次论文成果时，徐文青侃侃而谈。但是，实验过程却一度非常 抓马 。2020 年，为了减少新冠交叉感染的风险，课题组实行了轮班制，这让徐文青只能在实验室待到下午两点。

有一次，她在前一天才收到通知：实验室会在隔天早上收到血液样本。第二天，徐文青一早就来到实验室，结果中午 11 点才收到血包。

这是她第一次处理血，为了赶时间她手忙脚乱地处理这些没有闭口的血包，在剪刀、手套和实验服上都弄上了血。

到现在都还记得，我和当时的轮转生 Hannah 处理 血腥残局 的场景，感觉这是我最紧张的一次实验日。

后来，我的合作者 Hope 还买了牛眼作为另一种实验样品，我看到她用解剖刀从充满血丝的眼睛中取出晶状体，非常佩服她的勇气。也很庆幸，在我检测环状酰亚胺的实验中，这些样品派上了用场！ 徐文青说。

（来源：Nature）

收到论文审稿意见之后，徐文青所在课题组联合美国南加州大学化学与生物科学系教授团队，合成了重组血红蛋白。

蛋白组学数据显示其中含有环状酰亚胺，这说明重组血红蛋白确实会被 cereblon 泛素化。

与此同时，徐文青也补充多个蛋白组学实验，为研究结论提供了更多证据。

近日，相关论文以《E3 连接酶适配器 cereblon 以 C 端环酰亚胺降解子为靶点》（）为题发表在Nature上。

▲图 | 相关论文（来源：Nature）

SakiIchikawa、Hope A. Flaxman、徐文青是共同一作，哈佛大学化学与化学生物学系副教授担任通讯作者。

此次论文发表以后[8]，针对环状酰亚胺蛋白降解子、在靶向蛋白降解的应用，以及对于不同手性的配体与 cereblon 的结合，该团队正在做进一步的分析。

作为徐文青的下一个博士课题，她打算研究蛋白降解子在化学和生物上的特性，比如它们如何生成、以及如何被调控。

另外，她和所在团队也会继续探索 cereblon 的自然底物、识别机制、生物学功能、以及来那度胺等免疫调节药物对它的影响。

参考资料： 1.Ito, T., Ando, H. et al.Science2010, 327,1345. 2.Drug Discovery and Development, 2022. https://www.drugdiscoverytrends.com/50-of-2021s-best-selling-pharmaceuticals/ 3.Sakamoto, K.M. et al.PNAS2001, 98, 8554. 4.Winter, G.E., Buckley, D.L.et al. Science2015, 348, 1376. 5.B k s, M., Langley, D.R. Crews, C.M.Nat Rev Drug Discov2022, 21, 181. 6.Matyskiela, M.E. et al.Nat Chem Biol2018, 14, 981. 7.Higgins, J.J. et al.Neurology2004, 63, 1927. 8.Ichikawa, S., Flaxman, H.A., Xu, W.et al.Nature2022, 610, 775. doi: 10.1038/s41586-022-05333-5

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