Science | 重大进展！破解降解有害蛋白的溶酶体靶向嵌合体作用机制新细节，有望开发出新的疾病治疗方法

在靶向参与导致或传播疾病的有害蛋白时，药物通常会堵塞蛋白的活性位点，使其无法发挥作用并造成严重破坏。针对这些蛋白的新策略可以将它们送入不同类型的细胞蛋白降解机制，如细胞中就像蛋白碎木机那样起作用的溶酶体。

如今，在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学的研究人员揭示了通往细胞溶酶体的其中一条途径是如何发挥作用的。在此过程中，他们就为针对老年相关疾病、自身免疫疾病和治疗抵抗性癌症的新疗法打开了大门。这些发现还可能改善溶酶体贮积症的治疗方法，其中溶酶体贮积症虽然罕见，但往往很严重，主要影响婴儿和儿童。相关研究结果发表在2023年10月20日的Science期刊上，论文标题为“Elucidating the cellular determinants of targeted membrane protein degradation by lysosome-targeting chimeras”。

论文共同通讯作者、斯坦福大学人文与科学学院教授Carolyn Bertozzi说，“准确了解蛋白如何被运送到溶酶体进行分解，可以帮助我们利用细胞与生俱来的力量来清除对人体造成巨大伤害的蛋白。这项新的研究清楚地揭示了一种通常不透明的细胞内过程，它照亮了一个可能发现药物的新世界。”

论文共同通讯作者、斯坦福大学人文与科学学院化学助理教授Steven Banik说，“能够理解这一过程的生物学特性意味着我们可以利用已经存在的内在生物学特性，并利用它来治疗疾病。这些见解为我们了解我们以前尚未真正了解的新型生物学提供了一个独特的窗口。”

阻止蛋白失控

蛋白通常对身体有益，比如帮助我们消化食物或修复撕裂的肌肉，但它们也可能具有破坏性。例如，在癌症中，蛋白会成为肿瘤的一部分和/或使其肆意生长，它们可导致阿尔茨海默病等破坏性疾病，并在心脏中积聚，影响心脏向身体其他部位泵血的方式。

为了阻止破坏性的蛋白，可以使用药物来阻断蛋白的活性位点，从而阻止它与细胞相互作用，这是几十年来治疗研究的标准。20 年前，蛋白水解靶向嵌合体（proteolysis targeting chimeras， PROTAC）横空出世，它能与细胞内的有害蛋白发生作用，并将这些蛋白送入溶酶体中分解。

目前，PROTAC正在进行临床试验，并已显示出治疗癌症的疗效。但是，它只能靶向细胞内的蛋白，而这种情况只占 60%。2020年，斯坦福大学的ChEM-H研究人员通过溶酶体靶向嵌合体（lysosome targeting chimeras, LYTAC）开创了一种可以靶向另外40%的蛋白的方法，LYTAC可以识别和标记细胞周围或细胞膜表面上的蛋白以便随后将它们破坏。

这些发现开启了一类新的研究和治疗方法，但这一过程的具体运作方式尚不清楚。人们还注意到，很难预测LYTAC何时会大获成功，何时会达不到预期效果。

新的治疗靶标

在这项新的研究中，论文第一作者Green Ahn利用CRISPR基因筛选技术，确定并描述了调节LYTAC如何降解蛋白的细胞成分。通过这一筛选，这些作者发现了neddylated cullin 3 (CUL3)---一种在分解细胞蛋白过程中起着管家作用的蛋白---的水平与LYTAC疗效之间的联系。目前还不清楚这两者之间的确切联系，但是neddylated CUL3越多，LYTAC的疗效就越好。

鉴定LYTAC介导的膜蛋白降解的细胞决定因素。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adf6249。

测量neddylated CUL3的水平可以确定哪些患者更有可能对LYTAC疗法产生反应。Bertozzi说，这是一个令人惊讶的发现，因为以前的研究从未指出过这种相关性。

他们还发现了阻碍LYTAC发挥作用的蛋白。LYTAC通过与细胞外的某些受体结合来发挥作用，它们利用这些受体将有害的蛋白送入溶酶体进行降解。然而，他们发现，带有甘露糖-6-磷酸（mannose 6-phosphate, M6P）的蛋白会在这些受体上占据一席之地，这意味着 LYTAC 无法与之结合。通过破坏 M6P 的生物合成，细胞表面未被占用的受体数量增加，LYTACs就有可能劫持这些受体。

新生物学，治疗疾病的新途径

除了帮助将 LYTACs 开发成更有效的治疗药物外，这些发现还能为溶酶体缺乏症带来新的、更有效的治疗方法。溶酶体缺乏症是一种遗传性疾病，在这种疾病中，人体溶酶体中没有足够或适当的酶来使其正常工作。这可能会导致脂肪、糖和其他有害物质的毒性积聚，进而影响人体的健康。

这些发现除了有助于将 LYTAC开发成更有效的治疗药物外，还能为溶酶体缺乏症---人体溶酶体中没有足够或适当的酶使其无法正常起作用的遗传性疾病---带来新的、更有效的治疗方法。这会造成脂肪、糖和其他有害物质的有毒堆积，从而导致心脏、大脑、皮肤和骨骼损伤。酶替代疗法是一种常见的治疗方法，它利用与 LYTAC 类似的途径进入溶酶体，使其发挥作用。了解LYTAC的工作原理和原因意味着可能能够更有效地递送这些酶。

这些作者把这项性研究比作对沙利度胺（thalidomide）这种药物究竟如何起作用的重要发现。沙利度胺最初是 20 世纪 50 年代用于治疗孕妇孕吐的处方药，主要在英国使用，但在 1961 年因与严重的先天缺陷有关而退出市场。但在 20 世纪 90 年代，人们发现它是治疗多发性骨髓瘤的有效药物。2010 年，人们了解了它通过降解蛋白发挥作用的机制，这一发现极大地推动了 PROTAC 研究领域的发展。

Bertozzi说，“LYTAC的演变就像15年前沙利度胺和PROTAC的故事一样。我们正在学习以前不知道的人类生物学知识。”

参考资料：

1. Green Ahn et al. Elucidating the cellular determinants of targeted membrane protein degradation by lysosome-targeting chimeras. Science, 2023, doi:10.1126/science.adf6249.

2. Unlocking pathways to break down problem proteins presents new treatment opportunities
https://news.stanford.edu/2023/10/25/new-protein-destruction-target-pathway/