靶向IRE1α的VHL招募型PROTAC通过化学诱导降解实现内质网应激传感器的完全破坏

《Nature Communications》：Chemically-induced degradation of the endoplasmic-reticulum stress sensor IRE1 by a VHL-recruiting chimera

本研究针对癌症细胞中IRE1α的非酶依赖性难题，设计了一种新型PROTAC降解剂G6374。该分子通过连接IRE1激酶配体与VHL E3连接酶配体，成功诱导IRE1的K48连接多聚泛素化和蛋白酶体降解。冷冻电镜结构解析揭示了2:2 IRE1:VHL三元复合物的独特拓扑结构。功能实验表明G6374能选择性抑制依赖IRE1的癌细胞增殖，为靶向ER跨膜蛋白降解提供了概念验证。

　　

在内质网这座细胞内的"蛋白质加工厂"中，IRE1α蛋白如同一位敏锐的质检员，时刻监控着蛋白质折叠质量。当内质网应激发生时，IRE1α通过其激酶-核糖核酸酶双重活性启动未折叠蛋白反应(UPR)，帮助细胞应对压力。然而，癌细胞常常"劫持"这一保护机制来促进自身生长。传统认知中，靶向IRE1α酶活性的抑制剂被认为是对抗癌症的有效策略，其中核糖核酸酶抑制剂ORIN1001已进入临床试验阶段。但近年来研究发现，超过半数的多发性骨髓瘤细胞系实际上依赖于IRE1α的非酶功能——即其支架作用，这使得单纯抑制酶活性的策略面临挑战。

面对这一困境，基因泰克公司的研究团队另辟蹊径，在《Nature Communications》上报道了一种创新解决方案：他们开发出名为G6374的蛋白降解靶向嵌合体(PROTAC)，能够像"分子双面胶"一样，同时结合IRE1α和E3泛素连接酶VHL，将癌细胞中的IRE1α蛋白标记为"废弃物"，引导其被蛋白酶体降解。这种策略不仅克服了传统抑制剂的局限性，更实现了对IRE1α功能的完全破坏。

研究团队运用了多项关键技术方法：通过高通量降解筛选从约100个双功能化合物中优选G6374；利用纳米荧光共振能量转移(NanoBRET)技术定量分析蛋白相互作用；建立体外泛素化系统验证降解机制；采用冷冻电子显微镜(cryoEM)解析三元复合物结构；通过点突变和细胞功能实验验证关键相互作用。

Designing an effective degrader for endogenous IRE1 in cancer cells

研究人员基于IRE1激酶配体和VHL配体，设计合成了G6374分子。与已报道的CRBN基降解剂CPD-2828相比，G6374在AMO1多发性骨髓瘤细胞中展现出更强的降解效率(D_max93% vs 71%，DC₅₀0.04 vs 0.64μM)。机理研究表明，G6374诱导的IRE1降解依赖于CRL2^VHL介导的泛素化-蛋白酶体途径，而非内质网相关降解(ERAD)途径。

G6374 promotes stable association between IRE1 and VHL

通过免疫共沉淀和NanoBRET实验证实，G6374能浓度依赖性地促进IRE1与VHL的稳定结合(EC₅₀110 nM)。表面等离子共振(SPR)和荧光偏振(FP)分析显示，虽然G6374与IRE1的结合亲和力(K_d=0.65 nM)高于与VHL的亲和力(K_d=83.70 nM)，但能协同促进三元复合物形成。

Structural basis of IRE1 degradation by VHL-G6374

冷冻电镜结构解析(分辨率2.6?)显示，G6374诱导形成了2:2 stoichiometry的IRE1:VHL复合物。该复合物呈现"蝴蝶形"结构，其中IRE1激酶域构成"身体"和"前翅"，而VHL:EloC复合物位于前翅边缘。结构分析表明G6374主要靶向IRE1的基础稳态二聚体形式进行降解。

Details of the VHL:G6374:IRE1 interface

结构分析揭示了G6374与IRE1激酶域ATP结合口袋的详细相互作用网络，包括与Leu577、Val586等残基的疏水作用，以及与Cys645、Glu651的氢键作用。特别重要的是，IRE1-His579与VHL-Tyr98之间形成的T型堆叠相互作用，对有效的泛素化和降解至关重要。点突变实验证实破坏这些相互作用会显著削弱降解效率。

G6374 can target monomeric IRE1 for degradation

通过引入E621A/E836A双突变破坏IRE1二聚化后，发现G6374仍能有效诱导单体形式IRE1的泛素化和降解，表明该降解剂对不同构象的IRE1都具有降解能力。

G6374 selectively inhibits IRE1-dependent cancer-cell proliferation regardless of the underlying dependency mode

功能实验表明，G6374能浓度依赖性地抑制依赖IRE1酶活性(如OPM2)和非酶支架功能(如AMO1、KMS27)的多发性骨髓瘤细胞增殖，而对IRE1非依赖细胞(U2OS、Colo201)无显著影响，展现出良好的选择性。

这项研究不仅为完全破坏IRE1功能提供了新策略，更开创了VHL基降解剂靶向内质网跨膜蛋白的先例。结构生物学分析为未来设计更高效的降解剂提供了宝贵见解。特别值得注意的是，G6374能同时解决癌症细胞中IRE1的酶依赖和非酶依赖问题，展现出广阔的治疗前景。然而，关于泛素化的IRE1如何从内质网膜转运至蛋白酶体这一基本生物学问题，仍有待进一步探索。随着后续研究的深入，这种靶向蛋白降解策略有望为癌症及其他疾病治疗提供新途径。