NIBS学者eLife发现新的介导蛋白降解的分子胶

【字体: 时间:2020年09月16日 来源:NIBS

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  传统的小分子药物靶点大多是具有成药口袋的蛋白(例如蛋白激酶和G蛋白偶联受体),这类蛋白约占蛋白质组的20%。近年来兴起的靶向蛋白降解(targeted protein degradation)技术为剩下的80%的蛋白靶点提供了成药策略,因此获得了学术界和工业界的广泛关注。

  

传统的小分子药物靶点大多是具有成药口袋的蛋白(例如蛋白激酶和G蛋白偶联受体),这类蛋白约占蛋白质组的20%。近年来兴起的靶向蛋白降解(targeted protein degradation)技术为剩下的80%的蛋白靶点提供了成药策略,因此获得了学术界和工业界的广泛关注。

2020年8月17日,北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院韩霆/齐湘兵课题组合作在eLife杂志在线发表了题为“Discovery of a molecular glue promoting CDK12-DDB1 interaction to trigger cyclin K degradation” 的研究论文。

分子胶(molecular glue)是一类作用于蛋白与蛋白相互作用界面的化学小分子,是众多靶向蛋白降解技术中成药性较好,但也是难度较大的一个分支。韩霆/齐湘兵课题组通过高通量小分子化合物筛选发现了一类新的分子胶HQ461,并且利用化学遗传学和生物化学重组,揭示了HQ461通过诱导CDK12和DDB1的相互作用,导致CDK12结合蛋白cyclin K多泛素化和降解的作用机理。

NRF2在近四分之一的肺癌中过表达,通过识别抗氧化识别元件(ARE)来激活下游基因表达,是造成癌症细胞增殖和耐药性的关键转录因子。该研究的出发点是筛选拮抗NRF2活性的小分子抑制剂,通过在肺癌细胞系A549中利用抗氧化识别元件-荧光素酶(ARE-luciferase)报告基因系统对65790种化合物进行筛选,发现候选化合物HQ461能够降低ARE-luciferase的活性,并且具有杀伤癌症细胞的能力。但是,野生型和NRF2敲除的A549细胞对HQ461的敏感性没有显著差异,说明NRF2不是HQ461杀伤癌症细胞的直接靶点。

为了解析HQ461杀伤癌症细胞的作用机理,科研人员首先进行了全基因组CRISPR-Cas9筛选,发现E3泛素连接酶CUL4-DDB1-RBX1的缺失造成细胞对于HQ461产生耐药性,暗示HQ461通过CUL4-DDB1-RBX1依赖的蛋白降解系统发挥功能。为了寻找被HQ461诱导降解的功能底物,科研人员利用直肠癌细胞系HCT-116进行了第二轮遗传筛选。HCT-116细胞系由于MLH1基因的缺失造成DNA错配修复通路的缺陷,从而能够自发产生大量的点突变。通过HQ461处理HCT-116得到多个HQ461抗性克隆,然后利用全外显子组测序技术发现这些抗性克隆中重复出现了CDK12 G731E或G731R突变。在A549中原位敲入这两个点突变都能使细胞产生HQ461抗性。

CDK12通过与cyclin K形成二元复合物来发挥转录调控的生物学功能。通过免疫印迹实验发现,HQ461并没有直接影响CDK12蛋白的稳定性,而是造成了cyclin K蛋白的降解。

通过一系列的生物化学和生物物理学实验证明HQ461具有分子胶活性。HQ461促进CDK12和DDB1的相互作用,造成cyclin K的多泛素化和降解。DDB1是CUL4-DDB1-RBX1 E3泛素连接酶的接头蛋白,通过结合不同的底物受体蛋白来识别和降解特异的底物。在HQ461诱导cyclin K降解过程中,CDK12充当了底物受体的角色。研究人员对于HQ461进行了结构活性关系的分析,发现了5-甲基噻唑-2-胺药效基团的重要性,并优化得到了具有更强诱导cyclin K降解活性的HQ461衍生物。

韩霆实验室博士生吕陆、操龙志与齐湘兵实验室的博士生陈珮豪是本文第一作者,韩霆实验室李亚梅、曾志、崔悦,齐湘兵实验室吴青翠、李娇娇和董梦秋实验室王建华对本工作有重要贡献。该研究由科技部、北京市科委、清华大学资助,在北京生命科学研究所完成。

原文标题:

Discovery of a molecular glue promoting CDK12-DDB1 interaction to trigger cyclin K degradation

https://elifesciences.org/articles/59994


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