日前，基因编辑先驱刘如谦博士和他在MIT与哈佛大学的团队在《科学》上发布了一项创新的突破性研究。与以往不同的是，这次该团队论文的焦点并不是在基因编辑，而是在于一款能够通过特定分子胶调控的蛋白降解系统的开发。该系统理论上可以在生物体内有选择性地调控任意内源性蛋白的表达，不仅在科学研究上有着广泛的应用前景，也为临床治疗方法的开发提供了巨大的潜力。
在精准的时间内以选择性的方式降解特定蛋白质对细胞的正常运行和功能至关重要。这一过程依赖于蛋白酶体系统对特定的氨基酸序列或构象的识别，这些序列或构象被称为蛋白降解子（degron）。其中一类降解子能够通过与分子胶等小分子的结合发生构象变化，从而促进带有该降解子的蛋白与E3泛素连接酶的结合，导致蛋白的降解。如果能将编码这种降解子的序列插入到特定内源性蛋白的序列中，就可以通过小分子来调控体内这种蛋白的水平，这不仅是一种有用的研究工具，也有潜力成为一种临床治疗方法。通过小分子来调节内源性蛋白质水平是一项挑战。首先，大多数已知的可被小分子诱导发生构象变化的降解子，其长度通常超过100个氨基酸。这样长的序列难以插入细胞DNA，并通过细胞的内源性表达系统进行调控。尽管锌指蛋白（ZF）中的降解子长度较短，但它们通过沙利度胺（thalidomide）等分子胶小分子诱导的降解并不具有足够的特异性，许多非目标蛋白也会受到影响，这限制了其应用范围。沙利度胺及其类似物泊马度胺（pomalidomide）等为已获批的免疫调节药物（IMiD），它们能与CRL4CRBN E3泛素连接酶中的底物受体蛋白cereblon（CRBN）相结合，改变CRBN所靶向底物蛋白的特性，使得CRL4CRBN E3泛素连接酶得以与新的底物蛋白相连并诱导该蛋白后续的降解。因此，一个理想的降解子需要具备几个特性：尺寸足够小，便于通过基因编辑技术将之精确敲入内源蛋白序列中；能够对具有细胞渗透性的小分子产生反应；不引发脱靶效应；并且不受“钩状效应（hook effect）”的影响。钩状效应指的是在高浓度下，因为蛋白质-小分子复合物相互竞争，导致产生能够进行有效降解的蛋白复合物难以形成的情形。不过这种现象多见于二价小分子降解剂，较少见于分子胶。为了成功调控内源蛋白水平，该研究团队在之前便开发了一款名为PT-179的沙利度胺衍生物。PT-179在之前研究中便被证实能够与CRBN蛋白结合，但却不引发非靶向蛋白的降解。在这次研究当中，该团队开发了一种称为噬菌体辅助分子胶复合物连续进化平台（MG-PACE），并使用该平台来进行一系列的序列筛选与蛋白进化过程，最终识别出能与CRBN蛋白、PT-179形成三元复合物的ZF蛋白降解子序列。
▲通过MG-PACE平台开发识别出由PT-179分子胶所调控的SD40蛋白降解子（图片来源：参考资料[1]）
这个识别出的ZF蛋白降解子名为SD40，仅包含36个氨基酸，因此可以通过先导编辑（prime editing）准确、有效率地插入人类细胞中的靶向DNA序列。研究人员发现，PT-179会诱导带有SD40降解子标签的人类蛋白快速地降解。通过高分辨率冷冻电子显微镜（cryo-EM）的结构分析也发现，SD40与CRBN的C端结构域相互作用，这是CRBN蛋白与PT-179结合之处。但同时科学家也发现SD40还与CRBN的N端结构域形成广泛的界面，这样的相互作用之前未曾在CRBN蛋白与ZF蛋白之间观察到过。由于人类和小鼠细胞中降解蛋白质的机制不同，该团队还利用MG-PACE平台开发了另一款适用于小鼠细胞的ZF蛋白降解子SD56。除了PT-179，携带SD56标记的小鼠细胞内蛋白也能响应包括泊马度胺和美齐格多胺（mezigdomide）在内的传统及新一代IMiD，从而实现对小鼠特定内源性蛋白水平的调节。这一机制可应用于研究与人类疾病相关的转基因小鼠模型，具有重大的研究潜力。
▲SD40、CRBN与IMiD衍生物结合的蛋白复合物的冷冻电镜结构（图片来源：参考资料[1]）
“我们已经证明，连续进化平台是建立分子胶系统的有效方法，这将会是项有用的研究工具。”刘如谦博士说道。
SD40和SD56蛋白降解子的研发使得科研人员能够在几分钟内通过添加PT-179来去除目标蛋白，同时保留了相应基因的DNA背景，极大地减少了对众多天然蛋白质关键调控机制的干扰。研究天然调控下内源蛋白质的丢失是生物学的一个重要目标，除了可以验证药物靶标，还得以进一步研究生物体中天然蛋白质功能。“过去的其他系统能够对细胞中的外来蛋白质进行降解，但使用我们研发出的这种有效降解子则得以对细胞内的天然目标蛋白进行降解，这更具生物学意义。”论文的共同第一作者Jaron Mercer博士说道。研究人员已经与癌症和其他领域的科学家合作，将利用他们所研发的蛋白降解子来标记具有潜在治疗意义的蛋白质。希望这项突破性技术平台的开发能够在未来获得更广泛的应用，协助广大研究人员进行更具转化意义的科学研究，带来更为有效、创新的疗法。
