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Cereblon（CRBN）是一種泛素連接酶E3底物受體，是沙利度胺、泊馬度安、來那度胺等藥物免疫調(diào)節(jié)劑的作用靶點(diǎn)，是蛋白降解研究領(lǐng)域的明星分子。已有的晶體學(xué)研究確定了CRBN的沙利度胺結(jié)合域（TBD）內(nèi)的藥物結(jié)合位點(diǎn)，但藥物誘導(dǎo)底物結(jié)合的變構(gòu)反應(yīng)仍不清楚。近日，美國Scripps研究所Gabriel C. Lander團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了分子膠水CELMoD化合物是cereblon構(gòu)象的調(diào)節(jié)劑，揭示了藥物誘導(dǎo)的變構(gòu)反應(yīng)的機(jī)制，相關(guān)工作發(fā)表在2022年11月4日出版的《科學(xué)》上。

在該項工作中，冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析技術(shù)是破解CELMoD作用機(jī)制的關(guān)鍵。近年來，水木未來的多個蛋白降解相關(guān)項目，克服從復(fù)合物樣品制備、數(shù)據(jù)分析等多種難題，完成了相關(guān)項目的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)解析。

"Protein-Degradation CELMoD Drug Prospects Aided by New Study Findings"

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CELMoDs能夠以一種新的方式攻擊癌癥，通過與cereblon調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，然后觸發(fā)關(guān)鍵的癌癥驅(qū)動蛋白降解。近日，Scripps研究所的一個團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這些藥物為了發(fā)揮作用，在與cereblon蛋白結(jié)合時需要引起它的一個關(guān)鍵形狀變化。他們的發(fā)現(xiàn)將幫助研究人員可靠地設(shè)計有效的CELMoD。

"有很多研究小組花了相當(dāng)長的時間制造與cereblon結(jié)合得非常緊密的藥物，但隨后又十分困惑，認(rèn)為這些藥物未能發(fā)揮作用。"研究的高級作者，Lander lab綜合結(jié)構(gòu)和計算生物學(xué)系教授Lander博士說。

Lander與他實(shí)驗室的博士后研究員Randy Watson博士及其同事一起，在Science雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，論文題為 “Molecular glue CELMoD compounds are regulators of cereblon conformation,” 他們在文章中得出結(jié)論："我們的結(jié)果為CELMoD復(fù)合物的治療效果提供了機(jī)制上的見解，這類分子是分子膠的典型，是靶向蛋白降解領(lǐng)域的核心角色"。

"Cereblon（CRBN）作為細(xì)胞中一個重要蛋白質(zhì)處理系統(tǒng)的一部分來發(fā)揮作用。這個系統(tǒng)用泛素分子有效地標(biāo)記靶點(diǎn)蛋白質(zhì)，使其被蛋白酶體的游動蛋白質(zhì)分解復(fù)合體破壞。"作者解釋說："真核生物的蛋白質(zhì)是通過泛素分子與特定殘基（主要是賴氨酸側(cè)鏈）的共價連接來實(shí)現(xiàn)降解的。"

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)不僅用于破壞異?；蚴軗p的蛋白質(zhì)，而且還幫助調(diào)節(jié)一些正常蛋白質(zhì)的水平。Cereblon是泛素-蛋白酶體系統(tǒng)使用的數(shù)百種 "適配器 "之一，用于指導(dǎo)泛素標(biāo)記過程中的一系列特定靶點(diǎn)蛋白。

科學(xué)家們現(xiàn)在認(rèn)識到，一些癌癥藥物，包括骨髓瘤藥物來那度胺，是通過與 cereblon結(jié)合而發(fā)揮作用的。它們迫使促進(jìn)細(xì)胞分裂的關(guān)鍵蛋白泛素化，隨后降解它們，傳統(tǒng)藥物很難靶向這些關(guān)鍵蛋白。受到這種認(rèn)識的啟發(fā)，科學(xué)家們正在努力開發(fā)cereblon結(jié)合藥物CELMoD，也被稱為蛋白質(zhì)降解藥物，它將對骨髓瘤和其他癌癥產(chǎn)生更好的效果。"該團(tuán)隊繼續(xù)說："作為多發(fā)性骨髓瘤和其他血液學(xué)惡性腫瘤的一線療法，CELMoD的來那度胺制劑（Revlimid）已經(jīng)投入使用十多年了，而下一代CELMoD復(fù)合物在臨床試驗中明顯提高了病人的預(yù)后。"

長期困擾著該領(lǐng)域的一個問題是，雖然這些藥物中的一些與cereblon緊密結(jié)合，但它們未能使蛋白質(zhì)靶點(diǎn)充分降解。弄清楚為什么會發(fā)生這種情況一直很困難。科學(xué)家們希望使用高分辨率的成像方法來繪制cereblon的原子結(jié)構(gòu)圖，并研究其與CELMoDs結(jié)合時的動態(tài)變化。但是cereblon是一種相對脆弱的蛋白質(zhì)，用這種成像方法很難捕捉到。"科學(xué)家們指出："先前的晶體學(xué)研究確定了CRBN的沙利度胺結(jié)合域（TBD）內(nèi)的藥物結(jié)合位點(diǎn)，但藥物誘導(dǎo)的新基質(zhì)結(jié)合的異構(gòu)性仍然不清楚。

在新發(fā)表的研究中，Watson花了一年多的時間設(shè)計了一個穩(wěn)定cereblon與泛素系統(tǒng)伙伴蛋白的配方，以便用冷凍電鏡對其成像。通過這種方式，他最終能夠在近原子尺度上解決cereblon的結(jié)構(gòu)。Watson還對有CELMoD復(fù)合物和靶點(diǎn)蛋白的cereblon-伙伴復(fù)合物進(jìn)行了成像。"我們對DNA損傷結(jié)合蛋白1 DDB1與CRBN apo復(fù)合物進(jìn)行了冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析，并將這些結(jié)構(gòu)與單獨(dú)存在的CELMoD復(fù)合物和與新底物復(fù)合物的DDB1-CRBN進(jìn)行了比較。

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，CELMoDs必須以一種改變其形狀或構(gòu)象的方式與Cereblon結(jié)合。研究人員確定，Cereblon有一個默認(rèn)的 "開放 "構(gòu)象，但必須切換到一個特定的 "封閉 "構(gòu)象，以便對目標(biāo)蛋白進(jìn)行泛素標(biāo)記。"CELMoD化合物與TBD的結(jié)合對于觸發(fā)CRBN從開放構(gòu)象到典型的封閉構(gòu)象的異位重排是必要的和充分的"。

這一發(fā)現(xiàn)的主要意義在于，它使得開發(fā)CELMoDs的藥物公司能夠更好地認(rèn)識到如何優(yōu)化他們的候選藥物。Watson說："許多公司一直在開發(fā)與cereblon結(jié)合的降解藥物，他們知道這些藥物是更好的降解劑，卻不清楚背后的原因：這些藥物能更好地驅(qū)動這種封閉構(gòu)象，現(xiàn)在，公司可以對藥物的這一關(guān)鍵特性進(jìn)行測試。"

據(jù)研究人員評論，這些結(jié)果 "突出了以前未被重視的異構(gòu)效應(yīng)，以便其他科研人員能夠在設(shè)計CRBN導(dǎo)向的分子膠治療劑時加以考慮。通過描述CRBN-DDB1系統(tǒng)固有的構(gòu)象重排，并顯示三種不同的降解劑分子如何影響異構(gòu)作用和新基質(zhì)結(jié)合能力，揭示了CRBN內(nèi)移動藥物結(jié)合TBD的構(gòu)象控制如何隱秘地推動了新基質(zhì)靶向藥物的成功治療。"

Watson用于穩(wěn)定cereblon以準(zhǔn)備冷凍電鏡成像的突破性方法現(xiàn)在被該領(lǐng)域的研究人員廣泛采用。Lander說，他的實(shí)驗室現(xiàn)在希望能促進(jìn)蛋白質(zhì)降解藥物的開發(fā)，這些藥物通過與除cereblon之外的其他泛素-蛋白酶體適應(yīng)蛋白結(jié)合而發(fā)揮作用。他指出，蛋白降解藥物策略的最大吸引力在于它可以用來打擊幾乎所有與疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)，包括傳統(tǒng)藥物無法靶向的一大類蛋白質(zhì)。

水木未來丨視界 iss. 34Credit@GEN News

"Protein-Degradation CELMoD Drug Prospects Aided by New Study Findings"