「血液癌藥物明星」度胺家族為何成「雙刃劍」？多年謎團(tuán)或?qū)⑵平?，Nature最新研究被譽(yù)為蛋白降解領(lǐng)域年度論文

圖源：攝圖網(wǎng)

作者|白州 來源|生輝(ID：SciPhi)

近年以來，蛋白降解領(lǐng)域已經(jīng)成為新藥研發(fā)的熱門領(lǐng)域之一，與蛋白降解相關(guān)的基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化研究也層出不窮。近期，來自美國哈佛大學(xué)的一篇論文一經(jīng)發(fā)表，即獲得了來自鄧迪大學(xué)教授、Amphista Therapeutics 創(chuàng)始人 Alessio Ciulli，耶魯大學(xué)教授、蛋白降解明星公司 Arvinas 創(chuàng)始人 Craig Crews，哈佛大學(xué)教授劉如謙以及近日摘得諾貝爾化學(xué)獎桂冠的 Carolyn Bertozzi 等人的廣泛關(guān)注。

其中，Alessio Ciulli 等人更是表示，該文章是今年蛋白降解領(lǐng)域的年度論文。在這篇發(fā)表于 Nature 雜志的論文中，哈佛大學(xué)的 Christina Woo 團(tuán)隊首次闡釋了 E3 泛素連接酶 Cereblon（CRBN）的天然靶向結(jié)合結(jié)構(gòu)，并且初步揭示了血液癌藥物明星——度胺類藥物的作用機(jī)制。

（來源：Nature）

該研究的通訊作者、哈佛大學(xué)教授 Christina Woo 表示，這項研究通過對度胺類藥物與 CRBN 酶結(jié)合機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)了 CRBN 酶識別的天然蛋白降解子結(jié)構(gòu)，增進(jìn)了對 CRBN 酶本身功能的理解。在其看來，通過對 CRBN 酶類天然結(jié)合結(jié)構(gòu)域的初步了解，將有助于設(shè)計新的蛋白降解療法，靶向不可成藥的蛋白組。

作用機(jī)制長期不明，血液癌明星度胺藥物成為“雙刃劍”

博士指出，沙利度胺（thalidomide）能夠抑制腫瘤壞死因子-α（TNF-α）的生成，而 TNF-α 在免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)中都起到核心作用。當(dāng)時尚且獨立的制藥公司 Celgene 在得知這項研究成果后，果斷從洛克菲勒大學(xué)買下沙利度胺的新適應(yīng)癥專利。。

此后，以沙利度胺為基礎(chǔ)經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的化合物——來那度胺（lenalidomide）、泊馬度胺（pomalidomide）相繼加入了度胺類藥物家族，在各類惡性腫瘤、免疫性疾病的治療領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

▲圖丨IMiD 藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)（來源：Nature）

值得注意的是，度胺類藥物的使用曾幾經(jīng)波折。早在 1953 年，沙利度胺即合成成功并曾用作孕婦群體的鎮(zhèn)靜安眠藥進(jìn)入市場。然而時隔不久，該藥物被發(fā)現(xiàn)其對于新生兒具有致畸作用，因此退出市場。直到 2006 年，美國 FDA 批準(zhǔn)其用于治療多發(fā)性骨髓瘤，沙利度胺再次受到醫(yī)學(xué)界的矚目。

早期研究顯示，以沙利度胺為代表的系列藥物除了具有鎮(zhèn)靜催眠的作用外，還有較強(qiáng)的抗血管新生作用和免疫調(diào)節(jié)作用，其也被稱為免疫調(diào)節(jié)藥物（IMIDs）。這可能是導(dǎo)致其致畸作用的影響因素之一，然而，研究人員始終未能明確該類藥物的具體作用機(jī)制。

盡管危險重重，但度胺類藥物依然在藥物市場獲得了巨大成功。第二代 IMID 來那度胺先后獲批用于治療骨髓增生異常綜合征、多發(fā)性骨髓瘤和套細(xì)胞淋巴瘤等，其銷售額也隨之逐年增長。數(shù)據(jù)表明，自 2016 年起，來那度胺的年銷售額長期以近 20% 的比例增長，其在 2019 年的年銷售額已經(jīng)達(dá)到了 108.23 億美金。

雖然在獲批的同時，該藥物也得到了 FDA 的黑框警告。警告內(nèi)容包括胚胎胎兒毒性，血液學(xué)毒性（包括顯著的中性粒細(xì)胞減少和血小板減少癥）和靜脈和動脈血栓栓塞。但巨大的市場需求依然使得制藥企業(yè)對于度胺類藥物產(chǎn)生了巨大興趣。

隨著研究的不斷推進(jìn)，近年以來的多項研究指出，這些藥物能夠與名為 Cereblon（CRBN）的 E3 泛素連接酶結(jié)合，從而導(dǎo)致多種與癌癥相關(guān)的蛋白被泛素標(biāo)記，并且被送到細(xì)胞中的蛋白酶體降解。這在一定程度上構(gòu)成了度胺類藥物多效性作用的基礎(chǔ)，包括其對于多發(fā)性骨髓瘤在內(nèi)的多種血液癌癥的治療作用，以及致畸作用。

然而，有關(guān) CRBN 的內(nèi)源性底物選擇機(jī)制此前未曾揭曉。換句話說，究竟是什么樣的結(jié)構(gòu)能夠與 CRBN 結(jié)合？對此，本次研究在回答這一問題上邁出了重要一步。

與度胺家族“形似”的天然結(jié)構(gòu)同樣具有細(xì)胞毒性

度胺類藥物以泛素 E3 連接酶的底物適配子 CRBN 作為靶標(biāo)。進(jìn)一步來說，CRBN 酶能夠通過識別在蛋白上存在的特定氨基酸序列來促進(jìn)蛋白的泛素化和降解。事實上，E3 泛素連接酶主要就是通過這些特殊的氨基酸序列對底物進(jìn)行識別，這些氨基酸序列被稱為蛋白降解子（degron）。

這種蛋白降解子可以是連接兩個蛋白的分子膠水、也可以是人工設(shè)計的 PROTAC 小分子或者底物蛋白上的代謝物及其翻譯后修飾等等。在發(fā)現(xiàn)度胺類化合物能夠與 CRBN 結(jié)合后，研究人員猜測，該類藥物可能能夠模擬細(xì)胞中的天然蛋白降解子結(jié)構(gòu)從而與 CRBN 結(jié)合。然而，沙利度胺中與 CRBN 的結(jié)合結(jié)構(gòu)域仍然是一個謎團(tuán)。

為了破解 CRBN 的識別結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊設(shè)計了一個蛋白降解篩選系統(tǒng)，將不同的候選蛋白降解子結(jié)構(gòu)與識別 BRD4 的分子偶聯(lián)在一起。如果某一候選結(jié)構(gòu)能夠與 CRBN 結(jié)合，就會引發(fā) BRD4 分子降解，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過篩選，研究人員表明，一種由環(huán)化天冬酰胺（cN）或者環(huán)化谷氨酰胺（cQ）產(chǎn)生的翻譯后修飾（post translational modification，PTM）結(jié)構(gòu)，即肽鏈 C 端環(huán)狀酰亞胺是一種能夠被 CRBN 識別的天然 degron。

▲圖丨與 cereblon 結(jié)合并參與靶向蛋白質(zhì)降解（來源：Nature）

進(jìn)一步來看，含有 cN、cQ 的二肽以及沙利度胺的 PROTAC 嵌合體都可以實現(xiàn)目標(biāo)蛋白的靶向降解，并且?guī)в?C 端環(huán)狀酰亞胺的二肽可用于替代沙利度胺。同時，該靶向降解過程表現(xiàn)出對于 PROTAC 劑量以及 CRBN 表達(dá)的依賴性，這說明 CRBN 在該過程中作為 E3 復(fù)合物的識別結(jié)構(gòu)域發(fā)揮了重要作用。

由此，研究人員認(rèn)為沙利度胺可能模擬了環(huán)化天冬酰胺（cN）或者環(huán)化谷氨酰胺（cQ）產(chǎn)生的翻譯后修飾結(jié)構(gòu)。

已經(jīng)明確的是，C 端環(huán)狀酰亞胺是一種自發(fā)形成、存在于人類蛋白質(zhì)組中的天然結(jié)構(gòu)。于是，研究團(tuán)隊 CPTAC 數(shù)據(jù)庫中下載了 NCI7 細(xì)胞系以及 6 種不同人源組織的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，并鑒定了來自上百種蛋白質(zhì)的千余種 cN 或 cQ 的翻譯后修飾。數(shù)據(jù)表明，血紅蛋白亞基 α（HBA）和血紅蛋白亞基 β（HBB）發(fā)生修飾的概率最高。通過進(jìn)一步構(gòu)建 HBB 的 cQ 修飾蛋白模型，研究人員證實，該類 cQ 修飾的確可以被 CRBN 識別并降解。

與此同時，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在加入沙利度胺之后，cQ 被降解的效率大大降低。其原因在于 cQ 修飾結(jié)構(gòu)與沙利度胺的結(jié)構(gòu)相似，因此在兩分子之間發(fā)生了識別競爭，進(jìn)一步說明能夠被 CRBN 識別的 C 端環(huán)狀酰亞胺結(jié)構(gòu)可能與沙利度胺識別結(jié)構(gòu)域相同。

▲圖丨C 端環(huán)狀酰亞胺在體外容易形成的 PTM（來源：Nature）

研究團(tuán)隊認(rèn)為，CRBN 識別 C 端環(huán)狀酰亞胺結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)將有助于針對 CRBN 生理功能和治療作用調(diào)節(jié)過程的深入了解。Christina Woo 指出，如果在多肽鏈中間出現(xiàn)了生成 C 端環(huán)狀酰亞胺的分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)，實則是蛋白損傷的一種表現(xiàn)。研究人員也發(fā)現(xiàn)，在沒有 CRBN 酶的細(xì)胞中，含有 C 端環(huán)狀酰亞胺或其下游水解產(chǎn)物的蛋白水平會升高。這些蛋白的不斷積累可能對細(xì)胞產(chǎn)生毒性。

在該研究之后，Christina Woo 認(rèn)為，繼續(xù)開展關(guān)于 C 端環(huán)狀酰亞胺的研究并將其與 IMID 分子進(jìn)行比較，將促進(jìn)科學(xué)界對于 CRBN 生理功能的全面了解，從而帶來新的蛋白降解療法。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1038/s41586-022-05333-5

2.https://doi.org/10.1038/bcj.2013.38

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：生輝(ID：SciPhi)，作者：白州