近日，上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院許文青團(tuán)隊(duì)在《蛋白質(zhì)與細(xì)胞》（Protein & Cell）雜志發(fā)表了題為“Structure-based engineering of the midnolin-proteasome pathway for targeted protein degradation”的研究文章，解析了midnolin-蛋白酶體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)了全球首個(gè)基于midnolin的靶向蛋白質(zhì)降解平臺(tái)——MidTAC，為治療“不可成藥”靶點(diǎn)相關(guān)疾?。ㄈ绨┌Y）帶來(lái)了全新的希望。

在細(xì)胞中，蛋白質(zhì)的“壽命”通常由泛素-蛋白酶體途徑?jīng)Q定——這曾經(jīng)被認(rèn)為是蛋白質(zhì)降解的“黃金準(zhǔn)則”。然而，近期發(fā)現(xiàn)Midnolin-蛋白酶體途徑以非泛素化依賴(lài)的方式，可直接招募底物進(jìn)行降解，它可能代表了蛋白酶體繞過(guò)泛素化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蛋白選擇性降解的普遍機(jī)制。Midnolin作為調(diào)控蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因子，介導(dǎo)細(xì)胞核內(nèi)底物如即刻早期基因編碼蛋白及其他細(xì)胞類(lèi)型特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的精準(zhǔn)快速降解，響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激與代謝信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化。

研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用冷凍電鏡技術(shù)解析了midnolin-蛋白酶體復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，揭示了midnolin與蛋白酶體結(jié)合并介導(dǎo)底物降解的三種不同構(gòu)象（圖1）。結(jié)果表明midnolin的C端α螺旋（C-Helix）緊固錨定在蛋白酶體RPN1亞基上，而其N(xiāo)端泛素樣結(jié)構(gòu)域（UBL）則與蛋白酶體RPN11亞基發(fā)生相互作用，形成獨(dú)特的雙臂蛋白酶體結(jié)合模式，高效降解蛋白質(zhì)。在該結(jié)合模式下，招募底物的midnolin Catch結(jié)構(gòu)域在空間上精確定位于蛋白酶體AAA-ATP酶馬達(dá)上方，方便底物去折疊及降解。該研究成功捕捉了midnolin從C-Helix錨定、UBL識(shí)別到底物加工的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化過(guò)程，為闡明midnolin直接招募底物至蛋白酶體降解的分子機(jī)制提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)證據(jù)。

圖1 Midnolin-蛋白酶體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

基于對(duì)midnolin-26S蛋白酶體途徑降解蛋白分子機(jī)制的深入理解，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了名為MidTAC（Midnolin-based Targeting Chimera）的靶向蛋白質(zhì)降解（TPD）技術(shù)（圖2）。MidTAC技術(shù)將midnolin的Catch結(jié)構(gòu)域替換為特定靶蛋白的結(jié)合結(jié)構(gòu)域或基序，可特異性引導(dǎo)靶蛋白至蛋白酶體進(jìn)行降解。令人振奮的是，MidTAC在HEK293T細(xì)胞內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞核內(nèi)β-catenin的特異性降解，且不影響細(xì)胞質(zhì)中參與細(xì)胞黏附功能的 β-catenin含量。這一特性對(duì)于治療由Wnt信號(hào)通路異常激活所驅(qū)動(dòng)的癌癥（如結(jié)直腸癌）具有重要意義。因此，MidTAC展現(xiàn)出了高度的蛋白靶向特異性，為開(kāi)發(fā)針對(duì)“不可成藥”靶點(diǎn)的新型治療策略提供了重要工具，具有廣闊的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

圖2  MidTAC靶向蛋白降解技術(shù)的工作示意圖

基于傳統(tǒng)的泛素-蛋白酶體途徑的TPD技術(shù)，如PROTAC和分子膠，已然革新了藥物研發(fā)領(lǐng)域。由于可用E3的匱乏和泛素化及去泛素化過(guò)程的復(fù)雜性，這些依賴(lài)泛素化的方法在具體治療應(yīng)用中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。本工作基于Midnolin-蛋白酶體這一非泛素化蛋白降解途徑研發(fā)的MidTAC技術(shù)或?qū)⒊蔀榻鉀Q該領(lǐng)域關(guān)鍵挑戰(zhàn)的方案之一。MidTAC技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，它可靶向那些缺乏泛素化位點(diǎn)的蛋白、攻克傳統(tǒng)E3連接酶無(wú)法識(shí)別的“不可成藥”靶點(diǎn)，更可實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞定位特異性的蛋白降解，以提升治療精準(zhǔn)性，從而開(kāi)發(fā)出更安全、更高效的新型抗腫瘤藥物。

上海科技大學(xué)許文青教授和王紅楊副研究員為該研究論文的通訊作者，王紅楊博士為本文的第一作者。上海中醫(yī)藥大學(xué)柯細(xì)松課題組、上?？萍即髮W(xué)張璐課題組和王權(quán)課題組為該研究提供了重要支持和幫助。

論文鏈接：https://academic.oup.com/proteincell/advance-article/doi/10.1093/procel/pwaf069/8240538?login=true