Broad研究所創(chuàng)建了一種新的方法來(lái)靶向和糾正與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2025-01-08 13:48:00【大中小】

摘要：研究人員采用了一種新的方法，建立了一個(gè)非常多樣化的分子化合物集合。

在過(guò)去的二十年里，大量的基因研究已經(jīng)將成千上萬(wàn)的DNA變異與成千上萬(wàn)的人類特征和疾病聯(lián)系起來(lái)。然而，由于缺乏精確的分子工具，糾正這些變異對(duì)治療疾病的影響一直受到阻礙。

麻省理工學(xué)院博德研究所、哈佛大學(xué)、麻省總醫(yī)院和哈佛大學(xué)的研究人員采用了一種新的方法，建立了一個(gè)非常多樣化的分子化合物集合，可以以新的方式挖掘那些針對(duì)疾病相關(guān)基因變異的分子化合物。由于創(chuàng)新的化學(xué)方法，該文庫(kù)包含了超過(guò)300萬(wàn)種化合物，這些化合物被設(shè)計(jì)成將兩種蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，并使用一種作為屏障來(lái)穩(wěn)定另一種并逆轉(zhuǎn)其與疾病相關(guān)的影響。

圖1 FKBP12招募化學(xué)誘導(dǎo)鄰近DNA編碼文庫(kù)的開發(fā)及其在自噬增強(qiáng)劑中的應(yīng)用

從他們的文庫(kù)中，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種化合物，它可以靶向一些克羅恩病患者體內(nèi)改變的蛋白質(zhì)，并表明它可以逆轉(zhuǎn)這種變異對(duì)細(xì)胞的有害影響。這種方法可能用于招募具有其他功能作用的蛋白質(zhì)，或僅在某些細(xì)胞類型或組織中靶向疾病風(fēng)險(xiǎn)因素。

這項(xiàng)新研究發(fā)表在《Cell Chemical Biology》雜志上。

“小分子化學(xué)的進(jìn)步給了我們一個(gè)真正的機(jī)會(huì)，讓我們能夠找到精確的方法來(lái)糾正、修改或激活基因變異，”Ramnik Xavier說(shuō)，他是Broad研究所的核心成員、免疫學(xué)項(xiàng)目主任、傳染病和微生物組項(xiàng)目聯(lián)合主任。“在這項(xiàng)研究中，我們已經(jīng)建立了對(duì)這種克羅恩病變體的機(jī)制理解，以產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的化學(xué)工具箱來(lái)糾正這種變體，同時(shí)保持基因的功能。”

Xavier也是哈佛醫(yī)學(xué)院和馬薩諸塞州總醫(yī)院的教授，他與共同資深作者Stuart Schreiber （Broad的創(chuàng)始核心研究所榮譽(yù)成員）和第一作者Zher Yin Tan（哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系的研究生，師從Schreiber和Xavier）一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作。

一組新的膠水

在尋找以新方式改變疾病相關(guān)蛋白質(zhì)的化合物的過(guò)程中，研究人員開發(fā)了所謂的接近化學(xué)誘導(dǎo)劑，即CIPs，其中包括分子膠和雙功能化合物。這些化合物將細(xì)胞中兩種通常不會(huì)相互發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起——一種是“目標(biāo)”蛋白質(zhì)（通常是在疾病中發(fā)生改變的蛋白質(zhì)），另一種是對(duì)目標(biāo)有一定影響的“呈現(xiàn)”蛋白質(zhì)。到目前為止，大多數(shù)CIP文庫(kù)都旨在觸發(fā)功能失調(diào)的蛋白質(zhì)被細(xì)胞自身的廢物處理機(jī)制降解，從而減少其致病作用。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員的目標(biāo)是建立一個(gè)多樣化的潛在CIPs庫(kù)，這些CIPs可以做一些除了降解目標(biāo)蛋白質(zhì)之外的事情。對(duì)于他們的呈遞蛋白，他們選擇了FKBP12，這是一種在人類細(xì)胞中豐富的蛋白質(zhì)。研究小組假設(shè)，當(dāng)與CIP結(jié)合時(shí)，F(xiàn)KBP12可能會(huì)作為一個(gè)屏障，保護(hù)目標(biāo)蛋白免受酶的破壞，從而有效地穩(wěn)定它。對(duì)于一些與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)，這可能足以恢復(fù)它們的正常功能，作為一種治療疾病的方法。

圖2 文庫(kù)設(shè)計(jì)與合成

該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是通過(guò)生成大量可能識(shí)別和結(jié)合目標(biāo)蛋白質(zhì)的分子成分，來(lái)覆蓋盡可能多的“化學(xué)空間”。每種化合物還包括一個(gè)結(jié)合FKBP12的基序，因此它可以被招募到靶標(biāo)上。此外，他們給每種化合物附加了一個(gè)獨(dú)特的DNA條形碼——這樣的“DNA編碼文庫(kù)”允許研究人員在一個(gè)單一的實(shí)驗(yàn)屏幕上有效地收集數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億的化合物。該團(tuán)隊(duì)還探索了各種連接元件，將每個(gè)化合物的成分連接在一起，使用不同角度和長(zhǎng)度的剛性連接件，而不是以前CIP庫(kù)中使用的長(zhǎng)而軟的鏈連接件。

通過(guò)不同連接體和靶標(biāo)結(jié)合元件的不同組合，該團(tuán)隊(duì)生成了一個(gè)CIPs DNA編碼文庫(kù)（CIP-DEL庫(kù)），其中包含超過(guò)300萬(wàn)種招募FKBP12的獨(dú)特化合物。為了證明他們的文庫(kù)在發(fā)現(xiàn)有用的新CIP方面的潛力，他們瞄準(zhǔn)了一種與克羅恩病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的基因變異ATG16L1 T300A。ATG16L1基因的一個(gè)作用是促進(jìn)自噬，這是一個(gè)從細(xì)胞中清除有害細(xì)菌和廢物的關(guān)鍵過(guò)程。Xavier實(shí)驗(yàn)室十年的工作表明，該基因的ATG16L1 T300A變體會(huì)損害自噬，因?yàn)樗幋a的蛋白質(zhì)更容易被caspase-3酶切割。因此，研究小組認(rèn)為，用CIP保護(hù)蛋白質(zhì)免受切割可以幫助恢復(fù)自噬，使細(xì)胞恢復(fù)到健康狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)篩選中，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種與ATG16L1蛋白變體相互作用的化合物。通過(guò)在人類和小鼠細(xì)胞中的進(jìn)一步測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)它穩(wěn)定了蛋白質(zhì)，保護(hù)它免受caspase-3的切割，并在不影響caspase-3活性的情況下逆轉(zhuǎn)自噬和其他細(xì)胞過(guò)程的損傷，caspase-3在整個(gè)人體細(xì)胞中起著其他關(guān)鍵作用。

“分子膠、DNA編碼文庫(kù)和化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)等新的化學(xué)方法有很大的潛力，”Xavier說(shuō)。“當(dāng)與人類遺傳學(xué)和深刻的機(jī)制理解相結(jié)合時(shí)，它們?yōu)槲覀兲峁┝俗非鬂撛诘男轮委煵呗缘膭?chuàng)新方法。”

研究人員的下一步目標(biāo)是開發(fā)一種能在動(dòng)物模型中起作用的化合物，這樣他們就可以進(jìn)一步探索治療的機(jī)會(huì)。他們還希望看到其他人定制CIP-DEL庫(kù)，以針對(duì)不同的疾病變體，并招募具有其他功能的遞呈蛋白，例如破壞蛋白質(zhì)相互作用或細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路。通過(guò)選擇僅存在于特定細(xì)胞類型中的遞呈蛋白，一個(gè)信息庫(kù)可以揭示出CIP，這些CIPs通過(guò)僅改變受疾病影響的組織中的細(xì)胞而不是整個(gè)身體中的細(xì)胞，從而更加精確地發(fā)揮作用。

“我們的方法是一個(gè)即插即用的系統(tǒng)，”Tan說(shuō)。“根據(jù)你想要追求的疾病和分子機(jī)制，你可以設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)特的文庫(kù)來(lái)找到你正在尋找的化合物類型。我們有更多的化學(xué)領(lǐng)域要覆蓋，我們希望為治療工具箱做出貢獻(xiàn)，帶來(lái)干預(yù)人類疾病的新方法。”

參考資料

[1] Development of an FKBP12-recruiting chemical-induced proximity DNA-encoded library and its application to discover an autophagy potentiator