中国科学家Nature子刊：PROTAC“迎来”全新E3连接酶

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PROTAC通过招募E3泛素连接酶诱导目标蛋白的泛素化降解，为癌症治疗提供了新策略。然而，目前仅有少数E3连接酶（如CRBN、VHL）被成功应用于PROTAC开发，限制了其靶标范围。

4月28日，天津医科大学董城、石磊、陈东星、谢松波团队合作，在Nature Structural & Molecular Biology杂志发表论文，首次将E3连接酶GID4（glucose-induced degradation deficient complex 4，葡萄糖诱导降解缺陷复合物4）应用于PROTAC分子设计。

研究团队设计了基于GID4的PROTAC，实现了多个致病蛋白的靶向降解，并解析了GID4-PROTAC-BRD4三元复合物的晶体结构，系统阐明了GID4介导底物降解的分子机制。此外，他们据此开发出高效降解剂NEP162，成功实现BET家族蛋白BRD4的精准清除。

研究人员先前已经开发出一种靶向GID4拮抗剂的PFI-7，于是他们假设PFI-7可作为E3连接酶的配体，应用在PROTAC分子中。于是他们将PFI-7与BRD4抑制剂JQ1连接，并通过改变连接链长度，设计了一系列PROTAC分子。

通过细胞实验，研究人员发现PROTAC分子NEP108可以降解BRD4，而阴性对照则没有活性。这表明PFI-7可以有效地招募GID4，并促进BRD4的降解。

图1. NEP108用于BRD4降解的设计和表征

然后，研究人员解析了GID4-NEP108-BRD4三元复合物的晶体结构。其中NEP108分子夹在BRD4和GID4之间，JQ1和PFI-7部分分别与BRD4和GID4的结合位点结合。

研究发现，BRD4的BC环和GID4的L3环相互作用，并形成氢键。这与之前报道的VHL基础PROTAC的作用机制有所不同。此外，连接链长度对PROTAC的活性有重要影响，较短的连接链会导致空间位阻，而较长的连接链则可能不利于三元复合物的形成。

图2. GID4-NEP108-BRD4三元复合物的晶体结构

接下来，研究人员在NEP108的基础上进行结构优化，设计了更有效的PROTAC分子NEP162。后续实验发现，NEP162可以更有效地降解BRD4，并具有更强的GID4结合亲和力。

图3. NEP162对BRD4降解的设计和表征

通过晶体结构解析，他们发现了GID4-PROTAC-BRD4三元复合物的动态结合模式：NEP162通过连接子将GID4的底物结合腔与BRD4的溴结构域桥接，诱导两者形成可变构象界面，这解释了其增强活性的原因。

图4. GID4–NEP162–BRD4三元复合物的结构分析

优化后的NEP162在体外展现出纳摩尔级降解效力（DC50=1.2μM），并通过泛素-蛋白酶体系统依赖的方式显著抑制癌细胞增殖。

图5. NEP162通过GID4和UPS降解BRD4并抑制细胞增殖

在异种移植瘤模型中，NEP162（10mg/kg）治疗显著降低肿瘤内BRD4水平，诱导细胞凋亡，抑制肿瘤生长且无明显毒性。

图6. NEP162抑制体内肿瘤生长

此外，研究成功将GID4-PROTAC平台扩展至ERα和SMARCA2等其他靶标，证明其广泛适用性。

图7. 基于GID4的PROTAC降解其他靶蛋白

总结来说，该研究开发了新的E3连接酶GID4，并成功应用于PROTAC设计。该工作不仅丰富了PROTAC可用的E3连接酶库，为“不可成药”靶点提供新工具，同时通过结构驱动的设计策略，为开发高效降解剂奠定了分子基础。

参考资料：

Yanran Li et al. Design of PROTACs utilizing the E3 ligase GID4 for targeted protein degradation. Nature Structural & Molecular Biology（2025）

https://www.nature.com/articles/s41594-025-01537-1

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