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靶向蛋白降解（TPD）疗法是近年快速兴起的治疗模式，已有多款疗法进入临床且靶向那些过去被认为是“不可成药”的靶点。今日，来自哈佛医学院（Harvard
Medical School）的研究人员在顶尖期刊《科学》发布一项突破性研究，其团队发现了在独立于经典泛素（ubiquitin）系统之外的全新降解机制——中脑核仁蛋白（midnolin）-蛋白酶降解系统，该系统被发现与许多半衰期短的转录因子的降解息息相关，参与许多神经、免疫与发育过程。这项全新机制的发现将有望开启蛋白降解机制疗法的全新一页。
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在精确的时间以选择性的方式降解特定蛋白质对于细胞维持正常运作与功能至关重要，在真核细胞当中，执行这种降解的分子机器是26S蛋白酶体（26S
proteasome）。经典的蛋白降解机制是通过泛素连接酶（ubiquitin ligase）选择性地将目标蛋白打上泛素标签，使其为蛋白酶体所辨认而被降解，这也是开发靶向蛋白降解疗法的原理。虽然此机制解释了许多蛋白如何在细胞内被清除，然而科学家发现，蛋白酶体也可以降解部分未带有泛素标签的蛋白，但是详细的作用机制一直是个谜团。与此同时，在哺乳动物中，对生长因子、神经元和免疫刺激的转录反应是由一组称为即早期基因（IEG）的基因所介导的，这些基因编码像是Fos、EGR和NR4A家族的转录因子。这些转录因子的半衰期短，在接受细胞外刺激后会高度表达，并在刺激消失后快速地被降解，这样的特性使得其能够精确调控像是神经细胞突触可塑性或免疫细胞反应等重要机制。因此IEG蛋白表达的失调可能会导致癌症、免疫缺陷和神经相关障碍疾病。尽管这些蛋白很重要，但科学家对于它们是如何在细胞不需要时迅速被移除也已困惑了数十年。在尝试回答上述科学问题的过程中，哈佛医学院的研究团队通过使用CRISPR-Cas9系统进行了全基因组功能缺失（loss-of-function）筛选，并发现当编码核蛋白midnolin的基因遭到破坏时，会导致许多像是c-Fos、FosB、EGR1和NR4A1等结构相异的IEG蛋白表达量大幅增加。后续实验结果显示，当神经和免疫细胞缺乏midnolin时会导致IEG蛋白的积累，反之，midnolin的过表达则会导致这些蛋白的耗竭。重要的是，当用蛋白酶体抑制剂处理过表达midnolin的细胞时会抑制IEG蛋白的耗竭，但抑制泛素化（ubiquitination）过程则没有这种作用。此结果显示，IEG蛋白的降解依赖于midnolin和蛋白酶体，并独立于泛素化机制。在一项利用过表达/缺失midnolin的人类细胞株中所进行、针对近1.2万个基因的大型筛选实验中发现，有多达508种蛋白的降解受midnolin所调控，其中大多是DNA结合蛋白或转录因子，包含IRF4、NeuroD1、PAX8、GATA1以及其他细胞核内具有细胞种类专一性的转录因子。▲AlphaFold预测的midnolin蛋白结构（图片来源：参考资料[1]）
通过使用人工智能平台AlphaFold所进行的结构预测显示，midnolin蛋白包含三个稳定的结构域：位于N末端的泛素样结构域、含两部分假对称（pseudosymmetric）的“捕获（Catch）”结构域，和一个位于C末端的长α螺旋（αHelixC）。尽管这三个结构域都是IEG蛋白降解所必需的，但免疫共沉淀实验发现，midnolin通过Catch结构域与目标蛋白相互作用，并依赖aHelixC而非泛素样结构域与26S蛋白酶体结合，以将目标蛋白送入蛋白酶中降解。由于midnolin是与目标蛋白的相对非结构区域（unstructured regions）结合，这使得midnolin得以“捕获”许多不同类型的蛋白质。基于以上的发现，在未来研究人员将对midnolin蛋白的结构作进一步的检视，并深入了解该蛋白是如何识别与降解目标蛋白。例如，midnolin是否在与蛋白酶体结合前已与其靶标相互作用，或着它是先与蛋白酶体结合后再招募目标蛋白，若是后者，这可能会在细胞核中定义一种新的蛋白酶体亚类。此外，科学家亦打算通过小鼠模型来研究midnolin在不同类型细胞与发育阶段中所扮演的角色。▲Midnolin依赖性降解核调节因子机制图（图片来源：参考资料[3]）
这项全新的发现也暗示着潜在巨大的转化潜力。通过对相关机制的了解，研究人员可以利用它来控制转录因子的水平，从而调节基因表达以及体内的相关机制。该论文的共同通讯作者Michael
Greenberg博士说：“蛋白降解是一个关键过程，其失调是许多疾病和障碍的根源”，包括某些神经和精神疾病以及一些癌症。例如，当细胞中的转录因子（例如Fos）过多或过少时，可能会出现学习和记忆问题。而midnolin的底物——免疫蛋白IRF4则是多发性骨髓瘤的致癌驱动因子。因此若是在未来能够确定那些能够通过调控midnolin蛋白酶降解系统来治疗的疾病，并开发相对应的疗法，将有望为患者的治疗开辟新的格局，让我们拭目以待。▲欲了解更多前沿技术在生物医药产业中的应用，请长按扫描上方二维码，即可访问“药明直播间”，观看相关话题的直播讨论与精彩回放
[1] Xin Gu et al. ,The midnolin-proteasome pathway catches
proteins for ubiquitination-independent
degradation.Science381,eadh5021(2023). DOI:10.1126/science.adh5021[2] Scientists discover a previously unknown way cells break down
proteins. Retrieved August 24, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/998812[3] Catching proteins for degradation. Retrieved August 24, 2023 from https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8230免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。版权说明：本文来自药明康德内容团队，欢迎个人转发至朋友圈，谢绝媒体或机构未经授权以任何形式转载至其他平台。转载授权请在「药明康德」微信公众号回复“转载”，获取转载须知。
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