PROTAC新应用：成功降解CDK2 | Nature子刊最新成果

 收藏

关键词：新成果NatNature

资讯来源：医药魔方Pro

发布时间： 2021-03-28

本文转载自“清华大学药学院”。

3月5日，清华大学药学院饶燏团队与浙江大学药学院应美丹团队合作在《Nature Chemical Biology》杂志上发表了题为“Discovery of a first-in-class CDK2 selective degrader for AML differentiation therapy”的研究论文，该工作报道了一类新型CDK2选择性降解剂，实现了高效而低毒的AML细胞分化治疗效果，为AML治疗提供一种潜在的分化治疗方案。

周期蛋白依赖性激酶(CDK)是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，具有较短的N末端(β-折叠)和较长的C末端(a-螺旋)。CDK通过与相应周期蛋白cyclin和周期蛋白依赖性激酶激活激酶(CAK)产生相互作用，在细胞周期的各个阶段发挥作用，参与细胞的生长、分化、增殖等生理过程，介导细胞周期的有序进行。CDK2是CDK家族的一员，广泛表达于哺乳动物细胞内，但其功能可被其它CDK家族成员代偿，因此对于大多数正常细胞和组织CDK2是非必须的。然而，在肿瘤发生、细胞分化、减数分裂和听力损伤修复等过程中CDK2却发挥着重要功能，近年来的研究发现CDK2敲降可诱导AML细胞产生分化。然而，传统的小分子抑制剂难以实现选择性的CDK2抑制，也不能消除CDK2的非酶活功能，药效不足且副作用严重。基因编辑技术则在应用效率和临床使用中存在诸多不足。虽然认为CDK2是良好的药靶，但现有工具难以对其实现高效的选择性调控。

PROTAC技术是一种利用小分子诱导靶蛋白泛素化，利用泛素化蛋白酶体途径实现靶向蛋白敲降的技术。PROTAC由靶蛋白配体、E3泛素连接酶配体和连接链Linker构成(图1)。该小分子可诱导该靶蛋白与E3泛素连接酶相互作用，从而实现靶蛋白的非天然泛素化，被泛素化的靶蛋白进一步被蛋白酶体识别而降解。PROTAC技术实现的降解不仅依赖于小分子的亲和力，也需要靶蛋白和E3泛素连接酶在空间上的特异性相互作用。因此，在合理设计和充分优化的条件下，PROTAC技术与传统小分子抑制剂相比较在理论上可实现更好的选择性。目前高选择性CDK2敲降PROTAC分子还未有文献报道。

图1. PROTAC技术的原理

如何实现CDK2的选择性敲降是这篇工作中作者解决的核心技术问题。亲和力水平是PROTAC发挥功能的基础，为保持与CDK2蛋白的亲和力，研究者对分子结构进行了充分的模拟，与CDK2存在重要相互作用的结构单元需保留而暴露于溶剂区的位点则用于Linker延伸，这样的设计可最大程度的保留与CDK2的亲和力水平，而降低与非靶向蛋白的亲和力。历经多轮迭代设计与分子结构优化，最终基于筛选出的配体，成功发展出以J2为配体的CDK2选择性降解剂CPS2(图2)。

图2.CDK2降解剂的设计、优化和活性

研究者开发的这类新型CDK2降解剂有以下特点。适用范围广：在这篇工作中，作者尝试测试了10余种细胞系，CPS2均可在纳摩尔浓度下实现对CDK2有效敲降。选择性佳：较小分子抑制剂，CPS2的选择性有显著提升。作者运用了激酶组学、激酶活性测试、蛋白质组学和western blot等试验，证明了当使用CPS2处理细胞时，在可观测的蛋白范围内，CDK2的降解最为显著，而对其它蛋白没有显著影响(图3)。

图3. CPS2在多种细胞系内诱导CDK2的高效选择性降解

CPS2解决了CDK2抑制剂选择性的问题，对正常细胞(Beas2b、293T细胞系)的毒性较小，但CPS2可通过抑制肿瘤细胞增殖的方式产生抗肿瘤效果(图4)。作者也进行了在动物体内急毒实验，结果表明CPS2的安全性远高于其母核抑制剂J2(图5)。

图4. CPS2对正常细胞影响较小，但可阻滞肿瘤细胞快速增殖

图5. CPS2的体内安全性较高

研究者将CPS2进一步应用于AML分化治疗中。在CPS2处理下，AML细胞的分化指标显著升高，细胞形态更成熟(图6)。同时，作者进行了多组Rescue实验，证明了CPS2通过引起细胞内CDK2的降解执行分化诱导功能。为充分论证CPS2作为CDK2选择性降解剂在AML临床治疗上的重要意义，研究者采集了多株AML病人原代细胞，并加入CPS2进行处理。结果表明，原代细胞在药物的处理下也可产生明显分化，充分证明了CPS2的潜在临床应用意义。