文章信息
文章题目：Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders
期刊：Cell
发表时间：2024年11月1日
主要内容：北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院韩霆实验室与黄牛实验室在Cell上在线发表了题为“Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders”的研究论文。该研究发现乙酰丙嗪的代谢产物(S)-ACE-OH具有E3泛素连接酶TRIM21介导的分子胶活性，并据此设计了基于TRIM21的新型PROTAC分子(命名为TrimTAC)，能够选择性降解多聚蛋白而不影响单体蛋白。由于异常蛋白聚集会引发自身免疫疾病、神经退行性疾病以及癌症，上述研究成果突显出TrimTAC技术的应用前景。
原文链接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)01197-8
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研究背景
通过化学小分子诱导靶蛋白与E3泛素连接酶相互作用，实现靶蛋白特异性降解，是新兴的药物开发模式，为“难以成药”的靶点提供新解。此类化学分子主要分为PROTAC和分子胶两类。PROTAC是一类双功能分子，近期已有多个PROTAC分子进入临床试验并验证疗效与安全性。分子胶是一类单价分子，通过增强蛋白间相互作用实现降解，代表性药物在治疗多发性骨髓瘤中展现出显著效果。此外，韩霆团队前期发现的芳基磺胺类分子和HQ461也具有分子胶活性；这两类分子胶的发现进一步拓宽了分子胶的应用范围。虽然PROTAC和分子胶药物开发取得了显著进展，但是靶向蛋白降解领域主要依赖于CRBN或VHL等广泛表达且持续活跃的E3泛素连接酶，在区分正常与致病蛋白的技术尚存不足，发现选择性降解致病蛋白的E3泛素连接酶及其配体至关重要。
文章概述
研究人员首先发现乙酰丙嗪(ACE)与干扰素协同能杀伤非小细胞肺癌细胞A549，且对部分肿瘤细胞有选择性杀伤作用。进一步研究显示，ACE敏感细胞系通过醛酮还原酶将其转化为S构型的羟乙基丙嗪(ACE-OH)，后者负责杀伤肿瘤细胞。通过全基因组CRISPR筛选，研究人员确定TRIM21为介导(S)-ACE-OH杀伤肿瘤细胞的关键因子，且TRIM21的表达量与(S)-ACE-OH的细胞毒性正相关，受干扰素诱导。这些发现解释了ACE和干扰素的协同作用机制。
TRIM21是先天免疫受体，能识别并结合逃逸到细胞质内并且被抗体包被的病毒从而触发免疫反应。研究人员推测TRIM21的Fc结合口袋可能是(S)-ACE-OH的结合位点，并通过突变实验证实了这一点。TRIM21还具有E3泛素连接酶活性，能诱导NUP35、SMPD4和GLE1等多个核孔蛋白降解，破坏核孔结构。为了探究核孔复合物上TRIM21直接的作用靶点，研究人员进行了CRISPR-suppressor scanning和PML-degron融合蛋白降解实验，将核孔复合物上的靶点锚定到了NUP98。研究人员进一步使用GST pulldown和ITC实验在体外重构了(S)-ACE-OH、TRIM21和NUP98的三元复合物，从而证明 (S)-ACE-OH是一种全新的分子胶。
研究人员通过X射线晶体衍射获得乙酰丙嗪及其代谢物与TRIM21的共晶结构，据此设计了基于TRIM21的PROTAC（命名为TrimTAC）。通过对比TrimTAC和传统的基于CRBN的PROTAC的细胞活性，发现TrimTAC不能降解单体蛋白，但能降解聚集形式的蛋白，而传统的基于CRBN的PROTAC无此特性。这一特性源于TRIM21与多聚靶蛋白结合后RING结构域二聚，才能激活其E3泛素连接酶的活性。为了验证TrimTAC在疾病治疗方面的应用前景，研究人员使用TrimTAC实现了胞质DNA诱导的cGAS聚集体的选择性降解，从而为TrimTAC治疗自身免疫性疾病提供了潜在应用场景。
综上所述，本研究发现乙酰丙嗪的代谢产物 (S)-ACE-OH 具有分子胶活性，诱导 E3 泛素连接酶 TRIM21 与核孔蛋白 NUP98 相互作用，从而引发核孔蛋白的降解。基于乙酰丙嗪衍生的 TrimTAC 分子可以实现对多聚致病蛋白的选择性降解，而不影响单体蛋白。由于蛋白质异常聚集可导致自身免疫疾病、神经退行性疾病及癌症等多种疾病，该研究展示了多聚体选择性的TrimTAC技术的广阔应用前景。
基于TRIM21的分子胶和PROTAC的作用机理以及未来的应用方向
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• 该菌株适合于非毒性蛋白的表达。
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使用BL21(DE3) Chemically Competent Cell (CD601)产品发表的部分文章：
• Lu P R, Cheng Y L, et al. Selective degradation of multimeric proteins by TRIM21-based molecular glue and PROTAC degraders [J]. Cell, 2024.
• Li H L, Zhang Y L, et al. Rift Valley fever virus coordinates the assembly of a programmable E3-ligase to promote viral replication [J]. Cell, 2024.
• Lan Z, Song Z, Wang Z, et al. Antagonistic RALF peptides control an intergeneric hybridization barrier on Brassicaceae stigmas[J]. Cell, 2023.
• Li X, Zhang Y, Xu L, et al. Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease[J]. Cell Metabolism, 2023.
• Yang C, Wang Z, Kang Y, et al. Stress granule homeostasis is modulated by TRIM21-mediated ubiquitination of G3BP1 and autophagy-dependent elimination of stress granules[J]. Autophagy, 2023.
• Wang D, Xu C, Yang W, et al. E3 ligase RNF167 and deubiquitinase STAMBPL1 modulate mTOR and cancer progression[J]. Molecular cell, 2022.
• Chen Y G, Li D S, Ling Y, et al. A cryptic plant terpene cyclase producing unconventional 18‐and 14‐membered macrocyclic C25 and C20 terpenoids with immunosuppressive activity[J]. Angewandte Chemie, 2021.
