蛋白质等生物大分子在哪里合成

2021年7月8日，
复旦大学生命科学学院鲁伯埙与丁澦课题组
在《细胞研究》（Cell Research）杂志上
发表了文章《利用组装型自噬绑定化合物（ATTEC)降解脂滴》
（Degradation of lipid droplets by chimeric autophagy-tethering compounds）
首次实现了
非蛋白类生物大分子的靶向降解
从而实现了靶向降解技术从蛋白向非蛋白物质的突破

蛋白质等生物大分子在哪里合成,(1)

8月5日
帝国理工知名化学教授
英国皇家化学学会 (FRSC) 和皇家生物学学会 (FRSB) 的院士
爱德华·泰德（Edward Tate）
在《细胞研究》（Cell Research）杂志上发表文章
《超越靶向蛋白质降解技术: 自噬绑定化合物清除细胞脂滴》
（Beyond targeted protein degradation: LD·ATTECs clear cellular lipid droplets）
评价这一突破为
“a rising star”
（一颗冉冉升起的新星）
“open the stage for degradation of non-proteinaceous cellular components”
（开启非蛋白质细胞成分降解的舞台）
并认为这些研究
“will change the way biological processes are studied and reveal a major new direction for novel therapeutic modalities.”
（将改变已有的生物过程研究方式，并揭示了一个原创治疗范式的全新方向）

那么，靶向降解技术是什么？
作为一颗冉冉升起的新星
鲁伯埙与丁澦课题组的发现有何原创点？
从蛋白到非蛋白的突破意味着什么？
我们采访了复旦大学生命科学学院教授鲁伯埙
让我们一起来了解这一技术和它背后的故事

80%的靶，无法成药

提及靶向，不免让人想到刚刚结束的2020年东京奥运会上的10米气步枪项目，中国选手杨倩，以极高的难度瞄准10米外的靶心，射出10.9环的惊人成绩，最后成功为中国队摘得奥运会的首金。

“从笼统意义讲，靶向技术与射击，二者确实都是针对一个靶点，射击比赛是将子弹射出，直击靶点，更像我们传统意义上的阻断剂，‘脱枪而出’的阻断剂与目标靶点结合，摧毁靶点的活性，起到治疗作用。”

很多人体疾病是由生物大分子不正常的增高、积累或突变引起的。传统的治疗方法是寻找生物大分子的阻断剂，这里主要指的就是蛋白质。但阻断剂的寻找对目标分子，也就是靶点，有极为苛刻的要求，至少要同时满足以下两个条件：

首先，靶点必须有可以测量的生物化学活性；其次，靶点必须有活性口袋，也就是能结合小分子的位点，而且这个位点被结合以后要能抑制靶点生物化学活性。

此外，这个策略对阻断剂本身也有较高的要求。阻断剂是利用占用驱动（Occupancy-driven）的方式，通过小分子药物进入人体，占用目标靶点的活性口袋，从而起到阻断的作用，就如射出去的子弹要一直留在靶上。这对阻断剂提出了更高要求，如果阻断剂被降解掉，药效也会随之消失，所以必须保证用药剂量够大，药物稳定性够强。

但是，生物蛋白中能够同时满足有可以测量的生物化学活性和有活性口袋这两个条件的仅有20%，剩下的80%找不到阻断剂，即很难用小分子药物调控。

“这就意味着对于80%的靶，即使射出子弹、击中靶点，也没有任何效果。”

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事件驱动：靶向降解不是简单的靶向阻断剂，还有收回的过程

近年来，科学家发展了一类技术，可以把导致人类疾病的蛋白质降解掉，其原理就是利用细胞本来就具有的降解功能，把需要降解的物质更多地输送到降解剂中，以此来达到降解目标蛋白的目的。这就是靶向降解技术。

“我们要做靶向降解而不是简单的靶向阻断剂，它并不只是射出子弹那么简单，还有一个收回的过程，更像是钓鱼或者说是回旋镖，就是利用小分子将靶点‘抓住’，二者结合后，把目标拖拽到能够将它摧毁的地方，仅仅结合是完成不了任务的。”

不同于靶向阻断剂的占用驱动，靶向降解是由事件驱动（Event-driven）的。小分子只要将目标靶点“拽”到降解机器上，实现催化酶反应，标记降解标签，就完成任务了，只触发降解事件，它的存留就不再是问题了，即使一直存在，也可以循环使用。因而，效率和效用都要远高于传统的靶向阻断剂。

这就意味着，靶向降解可以不需要寻找活性蛋白，而是通过结合蛋白上几乎任何一个位点，就能达到选择性降解蛋白的目的。

目前而言，这一项技术在世界范围内最领先的，且已进入临床相对成熟阶段的是蛋白质水解靶向嵌合体（PROTAC，PROteolysis TArgeting Chimera，下文简称：PROTAC）的靶向降解技术，由美国科学家发现，并已获得数百亿美元投资，催生了多个上市公司和临床药物，被称为“破解不可成药靶点神器”。

“PROTAC这一技术，简单来说，就是利用小分子把蛋白质输送到蛋白酶体中进行降解。”PROTAC利用小分子把细胞中的一种泛素连结酶（E3）运送到目标蛋白的附近，使得泛素连结酶能够对目标蛋白进行泛素化（Ubiquitination），从而使得蛋白被识别，被分子伴侣打开，并被蛋白酶体分解。“蛋白酶体长得就像一个垃圾桶，蛋白打开以后，像链条一样穿过垃圾桶，垃圾桶里的蛋白水解酶将蛋白切碎，于是将蛋白降解掉。”利用这套系统可以降解很多蛋白。

这也使得蛋白靶向降解 (Targeted protein degradation) 成为药物研发领域的一个新兴方向。

当然，PROTAC技术也存在很多局限，因其原理基础是蛋白泛素化和蛋白酶体降解，所以靶点的作用范围（target spectrum）也受到限制。

“蛋白酶体不能降解所有蛋白，只能作用于短命（short-lived）蛋白（可以理解为相对容易降解的蛋白），对于一些大分子蛋白或是蛋白聚集体，蛋白复合体是无能为力的（会影响蛋白酶体的分解速度和分解能力），而且这一技术对于非蛋白分子也无用武之地。”

“所以我们希望发展属于中国的、自主独立的降解技术，而且该技术可以完成PROTAC无法实现的目标。”

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实现靶向降解技术从蛋白向非蛋白物质的突破，为新药研发开拓原创路径

2019年10月31日，鲁伯埙/丁澦/费义艳等多学科团队通力合作，在《自然》（Nature）杂志上发表文章《HTT-LC3连接化合物对变异HTT蛋白的等位基因选择性降低》（Allele-selective Lowering of Mutant HTT Protein by HTT-LC3 Linker Compounds），开创性地提出基于自噬小体绑定化合物（ATTEC，Autophagosome Tethering Compounds，下文简称：ATTEC）的药物研发原创概念，并巧妙地通过基于化合物芯片和前沿光学方法的筛选，发现了特异性降低亨廷顿病（位列四大神经退行性疾病之一）致病蛋白的小分子化合物，有望为亨廷顿病的临床治疗带来新曙光。

最为特殊的是，这是一项我国科学家掌握具有自主知识产权的核心技术。

这一成果，让团队看到了更多的可能性，也让他们思考是否可以利用类似药物研发概念去降解导致其他疾病的分子，他们的眼光也并不仅仅锁定在其他致病蛋白上。应对致病蛋白，已有如前所述的PROTAC或其他的相对成熟技术，但现阶段非蛋白物质几乎没有办法去实现降解。

通过两年的努力，2021年7月8日，鲁伯埙/丁澦团队在《细胞研究》（Cell Research）杂志上发表了名为《利用组装型自噬绑定化合物（ATTEC）降解脂滴》（Degradation of lipid droplets by chimeric autophagy-tethering compounds）的文章，首次实现了非蛋白类生物大分子的靶向降解，从而实现了靶向降解技术从蛋白向非蛋白物质的突破，把制药靶点的范围扩大到了另一个世界，为新药研发开拓了一条可能的原创路径。

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“我们利用了细胞自噬的途径，这一途径与蛋白酶体工作的途径完全不同，并不需要泛素化的过程。我们利用细胞中自噬过程的标志物——蛋白轻链3（LC3，下文简称：LC3）被脂化后形成小泡来包裹物质，最后通过溶酶体的途径来降解。溶酶体的降解能力极强，且可降解的种类多，不止能够降解蛋白，还会降解细胞器等其他物质。我们研究如何利用小分子化合物，把更多需要降解的物质粘在LC3上，增加目标降解物的降解机会，更有针对性地去降解物质。”

为何选择脂滴作为研究对象？

这一研究还开发了靶向自噬的降脂化合物（LD-ATTEC），谈及为何选择脂滴这一化合物作为研究对象，鲁伯埙说：“在2019年文章发表后，我就有了这个想法，我们这篇文章最核心的目的并不是去治疗一种新的疾病，而是证明我们研发的这个独立的ATTEC技术有潜力可以降解各种不同物质。脂滴，作为一种非蛋白物质，是PROTAC或现有的其他成熟技术从理论上就无法降解的物质，我们要证明ATTEC这一技术平台的潜在价值。”

现实意义上，脂滴本身并无坏处，但过分的储积，会引起炎症反应和细胞损伤，从而可能会导致肥胖、脂肪肝、心血管等疾病，甚至有相关研究表明，脂滴的异常储积与神经性疾病存在相关性，比如老年痴呆。“选择脂滴也是希望至少从概念上提供一个全新的脂滴相关疾病干预或药物研发策略的可能性，以及相关机制研究的化学生物学工具。”

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这一次新的尝试对专注研究神经退行性疾病的鲁伯埙实验室来说，很困难。

“我们实验室主要是做亨廷顿病的，实际上从来没有做过脂滴。从化合物的设计、合成、脂滴的测量到实验鼠模型的寻找，相当于我们在实验室中从头建立了不熟悉的脂滴监测技术以及相关表型研究的实验系统和动物模型。在这一过程中，论文的第一作者，付玉华青年副研究员起了极其重要的作用，从实验设计到实验实施，几乎凭一己之力完成了这项极具挑战的任务。”

合成分子的过程也是一波三折。最初采买的原料，分子式存在很多错误，导致合成难以推进；与团队合作的分子合成公司，提供的分子式结果在细节上存在小的错误，所幸在后来二次测试的过程中发现了问题，在文章发表前得到了修正。

“拍脑袋”想的方法，效果出乎意料的好，争取早日造福病人

“我本来很担心我这个‘拍脑袋’想出来的方法效果可能不行，结果效果出乎我意料的好，小鼠在被注射药物两个星期后，体重下降了15%，脂肪下降了20%，我也去询问了在美国做脂代谢比较有名的科学家，他们也觉得这个效果很惊人。”

鲁伯埙/丁澦团队的创新性研究也获得了学界很多认可，2019年发表在《自然》（Nature）的文章，入选了《自然》（Nature）的年度十大杰出科技论文，2021年发表的文章被同行撰专文予以高度评价，目前已有两家知名的学术期刊，《细胞》（Cell）杂志的子刊《药理学趋势》（Trends in Pharmacological Sciences）以及《化学学会评论》（Chemical Society Reviews，化学界顶尖综述期刊）邀请鲁伯埙撰写综述来介绍该技术。

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“我们的ATTEC研究还在婴儿期，虽然PROTAC技术已经非常成熟了，但它的天花板也相对明确了，从理论上推断，ATTEC的潜力完全可以突破PROTAC的天花板。学界目前对这一课题很感兴趣，也认可这个概念的原创度和理论上的潜力，但是从客观角度说，这个技术还远没有达到成功阶段，我们只是证明了它的可能性以及理论上可能的潜力，但理论上能做到和实际上能做到是两回事，所以我们还要做很多工作，才能把ATTEC从目前的‘婴儿’培养成真正有用的‘成年’。”

谈及这一技术的未来，鲁伯埙表示会继续研发该技术，在横向上将ATTEC这一概念应用到更多不同的靶点上，在纵向上选取有前景的化合物，通过化学改造、临床前实验，通过校企合作的方式不断向临床推进，争取早日造福病人。