分子胶｜开启蛋白相互作用的新篇章?

2024-05-17

蛋白降解靶向嵌合体

今天和大家分享一篇关于分子胶（MGs）的最新综述文章，该文由Markella Konstantinidou等人撰写，2024年4月发表在《Cell Chemical Biology》。该文讨论了近十年（2014-2023）间，小分子调节蛋白质与蛋白质之间的相互作用（PPI）在药物发现中的进展。重点是分子胶（MGs）--通过稳定原生相互作用或诱导新变态相互作用，而诱导接近的单价小分子。作者的研究既包括偶然发现，也包括理性发现，并介绍了识别这些发现所采用的不同方法。描述了各种具有结构数据的示例，强调了分子识别和结合的要素，这些要素是 MG 作用机制的基础。分子胶分类将这些分子胶化合物分为三大类降解性MGs非降解性MGs 或 PPI 稳定剂诱导自结合的 MGs1. 引言分子胶（MGs）是指一种能在蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）界面上协同结合的一价小分子。通常情况下，MGs对蛋白质配体的亲和力较低，结合后能增强或加强界面上的相互作用。MGs既可以结合原生PPIs，也可以结合非原生或新型PPIs。分子胶降解剂（MGDs）是MGs的一种，结合E3泛素连接酶（E3连接酶）。E3连接酶将泛素转移至底物蛋白质上，通常将该蛋白质标记为通过蛋白酶体降解。MGDs导致所感兴趣的原生或非原生蛋白质被E3泛素化，进而导致蛋白质通过蛋白酶体降解。活动时间：2024年5月20日——2024年5月26日2. 降解性MGs天然MGBs目前已发现几类天然产品可作为分子胶降解剂（MGDs）。这些早期实例表明，小分子具有诱导接近 E3 泛素连接酶并降解结合的能力。2001 年，Gray 等人发现植物激素 auxin 能促进转录抑制因子 AUX/IAA 的降解。2007 年，Tan 等人为植物生长素的作用机制提供了结构基础。晶体结构显示，AUX/IAA 和 TIR1（E3 连接酶复合物 SCFTIR1 的一部分）之间形成的微弱相互作用，通过与 AUX/IAA 结合位点下方的 TIR1 的β螺旋桨结构域结合而得到增强。2010 年，Sheard 等人发现植物激素茉莉酸甲酯也通过类似机制发挥作用，通过招募 E3 连接酶 SCFCOI1 来降解转录抑制因子 JAZ。2020 年，链霉菌衍生的甘露霉素多酮可作为共价 MGD 起作用，靶向推定 E3 连接酶 UBR7 的 Cys374，促进与新底物肿瘤抑制因子 TP53 的相互作用。合成MGBsCRL4-CRBN 2010年的研究首次描述了合成分子胶降解剂（MGDs）的作用机制，发现了CUL4-RBX1-DDB1-CRBN（CRL4CRBN）E3泛素连接酶的靶点。尽管沙利度胺及其衍生物（泊马度胺、来那度胺，IMiD、CELMoD）具有致畸作用，但它们被用于治疗多发性骨髓瘤等疾病。这些化合物可抑制内源性CRL4CRBN底物的泛素化，同时对连接酶进行重编程以靶向新蛋白质进行降解。IMiDs具有不同的降解特性，并能招募不同的新底物导致降解，如酪蛋白激酶1A1和翻译终止因子GSPT1。新型CRBN调节剂的合理优化导致了新一代IMiDs/CELMoDs的诞生，IMiD/CELMoD化合物通过调节CRBN的构象来影响其功能，具有更高的降解效力和选择性，这为进一步合理设计具有改进新底物选择性和有效性的MGD提供了新的思路。RBM39（招募 CRL4-DCAF15）在IMiDs/CELMoDs之后，第二种被发现的可将新底物招募到E3连接酶的MG类别是剪接抑制剂磺胺类化合物（SPLAMS: indisulam、tasisulam、E7820 [NSC 719239] 和氯喹喹啉磺胺 [CQS 或 NSC 339004]）（图1B）。2017年报道了SPLAMS促进RNA结合结构蛋白39（RBM39）被E3泛素连接酶CUL4-RBX1-DDB1-DCAF15（CRL4DCAF15）招募，从而导致RBM39的多泛素化和蛋白酶体降解。对于DCAF15-DDB1-DDA1复合物，在RBM39存在的情况下，结合亲和力增强了100多倍。芳基磺胺类化合物具有协同结合的作用，促进了DCAF15与RBM39的RNA识别结构域的结合，并通过在DCAF15表面的一个浅的、非保守性的空腔上的功能化形成了稳定的三元复合物（图1B）。2020年报道了一个新型磺胺化合物，dCeMM1，可重新调节CRL4DCAF15连接酶，选择性地降解了RBM39，保留了RBM23。cyclin KCR8 通过诱导 CDK12/cyclin K 和 DDB1 之间形成复合物来充当 MGD。CR8 将DDB1+CDK12相互作用增强了 500 至 1,000 倍。CR8 结构上占据了 CDK12 的 ATP 结合位点，桥接了 CDK12-DDB1 界面并与 DDB1 的一个 β 螺旋桨结构域形成离散接触（图 2A）。CR8的关键结构特征是疏水性苯基吡啶环体系，溶剂暴露在激酶表面，通过与Arg928（DDB1）相互作用诱导与连接酶衔接子DDB1形成络合物。细胞周期蛋白 K 结合在 CDK12 的另一面，不直接与 DDB1 相互作用。因此CR8是一种选择性的cyclin K降解剂。dCeMM1和HQ461这两种化合物，也能够诱导CDK12/cyclin K与DDB1形成复合物，从而降解cyclin K。这些研究揭示了降解剂的结构多样性，但它们的作用机制相似，都是通过促使特定蛋白质与泛素连接酶形成复合物，从而导致蛋白质的降解。β-catenin降解剂2019 年，Simonetta 等人描述了可恢复致癌转录因子 β-catenin 与其同源 E3 连接酶 SCFβ-TrCP 之间原生 PPI 的 MGs 的鉴定和合理设计。通过荧光偏振结合测定，筛选出了一系列化合物，其中包括NRX-1532，能够选择性地恢复突变型β-catenin的降解，而不影响正常组织中的野生型β-catenin的功能。3. 非降解型 MGs/PPI 稳定剂天然产品天然产物，如雷帕霉素、FK506和环孢霉素A，能够稳定蛋白质相互作用，但不引起任一蛋白质的降解。这些天然产物与蛋白质伙伴形成三元复合物，抑制了特定的生物过程，如免疫反应。它们的作用机制是通过与两个蛋白质形成广泛的相互作用，并在相互作用表面积中贡献了25%–50%。合成 PPI 稳定剂14-3-3富诺卡定-A（FC-A）和cotylenin-A稳定蛋白14-3-3与其客体之间的天然PPI。14-3-3蛋白拥有一个非常广泛的相互作用网络，包括肿瘤促进因子、肿瘤抑制因子和转录因子。MGs通过调节14-3-3与其客体的结合来影响多种生物学效应，如转录因子的细胞核与细胞质之间的穿梭、MAP激酶信号通路的调节等。通过稳定14-3-3与其客体之间的天然相互作用，这些MGs为开发治疗乳腺癌等疾病的新策略提供了潜在途径。尽管天然产物稳定剂的复杂性限制了它们的临床应用，但通过不同的方法，如虚拟筛选、高通量筛选和基于片段的方法，已经开始寻找更具选择性和更有效的14-3-3稳定剂。曲美替尼：MEK/KSR PPI稳定剂Trametinib是一种FDA批准的MEK抑制剂，它被发现可以作为MG稳定MEK与其调节蛋白KSR之间的PPI。据报道，MEK 抑制剂曲美替尼 MEK 抑制剂曲美替尼与原生 PPI 发生了意想不到的 MG 型相互作用。2020 年，Khan 等人解析了 MEK 在 MEK 抑制剂作用下与伪激酶 KSR（RAS 激酶抑制剂）结合的晶体结构。LSN3160440：GLP-1R/GLP-1 PPI 的稳定剂2020 年，Bueno 等人报道了 LSN3160440 的发现，这是一种 MG，通过与受体（GLP-1R）和正表配体 [GLP-1-(9-36)] 84 结合，稳定 G 蛋白偶联受体的活性状态构象。GLP-1-(9-36) 是原生配体 GLP-1(7-36)的代谢产物，虽然功能上无活性，但与 GLP-1R 的亲和力较弱。使用冷冻电镜测定了与 LSN3160440 结合的 GLP-1R 与全长 GLP-1、异三聚体 Gs 和抗体 Nb35 的复合物（图 3D）。LSN3160440 是 PPI 稳定剂影响细胞表面信号转导的首个实例。4.诱导自结合的 MGs与天然 PPI 稳定剂相比，有许多诱导自缔合的化合物的例子，包括靶蛋白的同源或异源二聚化、寡聚化或聚合。转甲状腺素蛋白淀粉样蛋白形成的限速步骤是四聚体解离为单体；通过使用afamidis动态稳定四聚体，成功减缓了解离速率，可有效抑制了淀粉样蛋白的聚集，治疗转甲状腺素家族性淀粉样多发性神经病患者BCL6 降解剂化合物（BI-3802）可迅速诱导了BCL6的泛素化和降解，导致对BCL6抑制的基因表达的增强，以及显著的抗增殖效果（图4A）。BI-3802的冷冻电镜结构揭示了该化合物在BCL6-BTB结构域中引发了BCL6的高级别装配成丝状结构。这种装配导致了BCL6的增强泛素化，并在结构上显示了与BTB结构域同源二聚体的直接相互作用。此外，报道了一系列苯并咪唑酮类BCL6与其共抑制剂之间的PPI抑制剂，其中CCT369260作为一种降解剂在淋巴瘤模型中显示出生物活性。PD-L1BMS-8和BMS-202等化合物最初被设计为PD-1/PD-L1蛋白质相互作用抑制剂。它们实际上通过诱导PD-L1形成三聚体复合物来发挥作用。这些化合物通过与PD-L1的相互作用，阻断了PD-L1的糖基化，并导致PD-L1在内质网中的快速降解，从而减少了其在细胞表面的表达。相比之下，另一种化合物17则通过诱导PD-L1的内吞和溶酶体依赖性降解来减少PD-L1在细胞表面的表达。JH-RE-06 二聚化 REV1 JH-RE-06化合物通过诱导REV1的二聚体化，从而破坏REV1-REV7蛋白质间的相互作用，专注于通过靶向REV1 C端域（CTD）和POL ζ的REV7亚基上的一个浅口袋来抑制REV1-POL ζ相互作用。JH-RE-06成功抑制了REV1-REV7相互作用，通过诱导REV1 CTD的二聚体化，阻止了其与REV7和POL ζ的结合。该化合物使肿瘤对顺铂更敏感，并在体外减少了突变。这一研究揭示了小分子可以靶向动态蛋白质界面，并成功干预其功能。NVS-STG2寡聚化STING2023年，Li等人报道了一种名为NVS-STG2的MG样化合物，通过诱导STING（干扰素基因激活剂）的高阶寡聚化来激活人类STING。该研究通过对THP1-dual细胞进行表型筛选，发现NVS-STG2能够诱导STING的高阶寡聚化。NVS-STG2与cGAMP和C53（一种能够结合到STING TMD口袋的化合物）一起使用时，能够增强STING的激活，并形成更大的寡聚体。这项研究揭示了NVS-STG2作为MG的作用机制，为开发STING激活剂提供了重要基础。MERS-CoV 异常二聚化MERS-CoV核衣壳蛋白（N-NTD）的N端结构域的结晶具有一个异常的二聚体界面，在蛋白质表达过程中存在的两个非内源性 N 端载体融合残基（His37 和 Met38）促进了二聚化。残基Trp43对于疏水口袋的形成至关重要，介导了二聚化。针对残基Trp43进行了基于结构的虚拟筛选。发现5-苯氧基胍胺（P3）通过荧光热稳定性实验能够稳定野生型MERS-CoV N-NTD。ISRIB 作为 "molecular staple "稳定了 eIF2B 全酶的活性十聚体形式在真核细胞中，整合性应激反应（ISR）是一种感知和应对各种压力的机制，通过重新编程翻译和控制蛋白质稳态来提供细胞的保护和适应。ISR的调节依赖于eIF2的磷酸化，其通过抑制eIF2B的活性来抑制翻译起始。而ISRIB则被发现可以通过激活eIF2B来抵消eIF2的抑制作用，从而促进全局蛋白质合成。ISRIB的作用靶点是eIF2B，它通过在eIF2B十聚体的中心对称界面处结合，稳定了eIF2B的活性形式。这一发现为ISRIB的作用机制提供了分子层面的解释，显示了其作为一种“分子钉”的作用方式。5. MGsBRD4 抑制剂和 MGsMGDs 是目前在临床试验中进行评估的主要类型。这主要包括靶向 CRBN 的 MGD 和靶向 DCAF15 的 E7820。MGD 可以稳定 "原生 PPI "和 "新变态 PPI "之间的连续体。与典型的 PROTAC 作用机制不同，IBG1 通过分子内结合 BRD4 上的两个相邻结构域（BD1 和 BD2）并诱导构象变化来降解 BRD4，该构象变化被 E3 连接酶 DCAF16 而非 DCAF15 识别。现有多家生物技术公司都在积极探索靶向降解的新机制和新策略，而且已经有这方面的实例发表。例如，最近有报道称 PI3K 抑制剂 inavolisib/GDC-0077 可作为突变 PI3Kα 的降解剂。从著名的 BET 抑制剂 JQ1 BET 抑制剂 JQ1（图 6A）的结构出发，最近有人描述了开发 BRD4 降解剂的方法。据报道，化合物 MMH2 与 DCAF16 和 BRD4BD2 的三元复合物的冷冻电镜结果支持了 DCAF16 和 BRD4 之间预先存在结构互补性的概念（图 6B）。IBG1 结合在 DCAF16/BD1/BD2 的界面上，其 JQ1 部分位于 BD2 袋中，E7820 部分位于 BD1 袋中（图 6C）。总结虽然作者在这篇综述中主要关注的是单价 MGs，但其最新研究描述了一种介于单价胶和二价降解剂之间灰色地带的 "新模式"。对于所有类型的 MGs，作者预计化学生物学方法将进一步阐明 E3 连接酶的分子识别、形状互补性、合作性、潜在动力学和脱粒等方面的问题。最终，预计人们将能够根据蛋白质+分子胶的复合表面来预测所形成的三元复合物。期望在未来10年内看到分子胶（MGs）领域取得显著进展。声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手觉得本文好看，请点这里↓

分子胶｜ 开启蛋白相互作用的新篇章?

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