《科学》重磅！诺奖得主Carolyn Bertozzi团队揭示LYTAC最新调控机制

▎药明康德内容团队编辑

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。TPD包含多种不同类型疗法，除了有多款临床开发管线、进展迅速的靶向蛋白降解嵌合体（PROTAC）药物外，溶酶体靶向嵌合体（LYTAC）是近年来颇受瞩目的药物类型。今日，2022年诺贝尔化学奖得主Carolyn Bertozzi教授及其所领导的斯坦福大学团队继2020年在《自然》发表首个LYTAC分子后，再度于顶尖杂志《科学》揭示LYTAC作用详细机制，其中发现有望加速改善LYTAC相关疗法的开发。

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PROTAC vs. LYTAC

维持蛋白质稳态，即各类蛋白质浓度、构象、定位处于平衡状态是细胞得以正常行使功能的关键。在真核细胞中，细胞主要依赖蛋白酶体（proteasomes）或溶酶体（lysosomes）来清除受损的蛋白质或细胞器以维持蛋白质稳态。

一般来说，蛋白酶体通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）来降解目标蛋白质（主要为半衰期短和错误折叠的可溶性蛋白质），这也是PROTAC药物消除目标致病蛋白的机制。另一方面，溶酶体则通过内吞作用、吞噬作用或自噬途径来降解半衰期较长的蛋白质、不溶性蛋白聚集体，甚至整个细胞器。LYTAC分子可以同时结合胞外蛋白或膜蛋白的胞外结构域，以及细胞表面的溶酶体靶向受体（TLR）而形成三元复合物，并通过内吞作用（endocytosis）导致蛋白质的内化与降解。

▲细胞内溶酶体降解途径（图片来源：参考资料[2]）

由于细胞外蛋白和膜蛋白占所有编码蛋白约40%，并且是神经退行性疾病、自身免疫性疾病和癌症的关键因素，因此拥有不同作用机制的LYTAC分子是PROTAC类药物的潜在良好互补，也是生物医药界亟欲探索、开发的新兴疗法。

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揭示LYTAC降解详细机制

然而自首个LYTAC分子公布以来仅过去约3年，科学家对这类分子的详细作用机制仍知之甚少。在开发第一代LYTAC分子时，Bertozzi教授团队发现，无论目标蛋白为何，该分子无法实现超过70至80%的目标降解，这显示关于LYTAC分子在细胞内作用过程中可能存在某些未知因素限制了靶标蛋白的降解。为了解这些限制因素以进一步改善LYTAC分子的作用效率，Bertozzi教授团队进行了全基因组的CRISPR筛选，以识别促进与限制LYTAC介导靶向蛋白降解的基因。

▲通过CRISPR筛选，识别影响LYTAC介导膜蛋白降解的调控因子（图片来源：参考资料[1]）

研究人员所使用的LYTAC是一种同时靶向表皮生长因子受体（EGFR，目标蛋白）与细胞膜表面的CI-M6PR受体（阳离子非依赖性甘露糖6-磷酸受体）的双功能分子。CI-M6PR是一种促进货物蛋白运输至溶酶体的受体，表达在几乎所有人类组织的细胞膜上。研究人员将CRISPR基因敲除细胞与LYTAC分子共同培养，并之后通过磁性细胞分选（MACS）来区分细胞膜表面带与不带有EGFR的细胞，借以识别促进或抑制LYTAC介导细胞膜表面EGFR降解的基因。

科学家发现，当逆转运复合体（retromer complex）基因，例如VPS35、VPS26A、SNX3等，遭到破坏时会促进靶标降解，即这类蛋白对于LYTAC降解具有负面作用。逆转运复合体是一种主要负责介导货物蛋白从内体（endosomes）向反式高尔基体（TGN）或细胞膜逆向运输的蛋白复合体。当此类基因遭到破坏时，会减少LYTAC-CI-M6PR复合物再循环到细胞膜，进而促进EGFR降解幅度超过90%。

研究人员还发现大部分细胞表面的CI-M6PR受到内源性甘露糖6-磷酸（M6P）修饰的糖蛋白所占据，因此抑制细胞内M6P的合成将有助于LYTAC与CI-M6PR相互作用与LYTAC-靶标蛋白的内化与降解。此外，E3连接酶cullin-3（CUL3）的类泛素化（neddylation）也被发现是晚期内体成熟的重要因素，可促进LYTAC复合物在溶酶体中的降解。

潜在的临床转化应用

由于溶酶体运输对于各种生物治疗药物递送的重要性，包括溶酶体酶替代疗法（ERTs）、抗体偶联药物（ADC）和寡核苷酸治疗药物，这项研究的发现除了直接为开发LYTAC药物带来启示外，也为许多基于细胞表面受体-溶酶体运输疗法模式的开发带来洞见。

▲本实验当中所识别影响LYTAC介导膜蛋白降解的调控途径（图片来源：参考资料[1]）

例如，从治疗的角度来看，由于逆转录酶复合物的保守性，可能无法通过敲除逆转录酶复合物来促进疗效，但却可以通过对组成LYTAC分子的抗体进行工程化，促进其在内体中的低pH条件下释放靶标蛋白，因此即便LYTAC被再循环到细胞膜，靶标蛋白仍然能被高效率地降解。此设计原理可被类似地应用于LYTAC以外的药物模式。另外也可通过设计靶向CI-M6PR不同结合位点的LYTAC分子来避免M6P糖蛋白对CI-M6PR与LYTAC相互作用的阻碍。此外，也可将类泛素化的CUL3作为预测LYTAC疗效的生物标志物，进一步实现个体化的精准医疗。

这项研究的发现无疑加速生物医药界向开发更具疗效的LYTAC分子又往前了一步。让我们期待在基于这里卓著的基础研究发现上，会带来更多创新疗法的突破造福患者。

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参考资料：

[1] Anh G. et al. “Elucidating the cellular determinants of targeted membrane protein degradation by lysosome-targeting chimeras”vol. 382, 6668. 20 Oct 2023, doi: 10.1126/science.adf6249

[2] Zhao, Lin et al. “Targeted protein degradation: mechanisms, strategies and application.” Signal transduction and targeted therapy vol. 7,1 113. 4 Apr. 2022, doi:10.1038/s41392-022-00966-4

[3] Banik, Steven M et al. “Lysosome-targeting chimaeras for degradation of extracellular proteins.” Nature vol. 584,7820 (2020): 291-297. doi:10.1038/s41586-020-2545-9

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