研究蛋白质在健康和疾病中的作用的研究人员使用实验工具使蛋白质失活、破坏它们或阻止它们在细胞中产生。在一种方法中，他们用“摧毁我”标签来标记目标蛋白质，这些标签与称为分子胶的小分子一起作用，促使细胞自身的蛋白质清除机制吞噬蛋白质。然而，当今使用的许多标签太大，无法标记编码细胞天然蛋白质的基因，或者它们会造成附带损害，引发目标蛋白质以外的蛋白质的破坏。
现在，麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的科学家们使用了一个名为PACE的连续进化平台来生成更小的蛋白质降解标签或降解决定子，这些标签形成分子胶复合物，能够精确触发细胞自身蛋白质的消耗。
然后，该团队使用他们之前开发的称为“primeedit”的基因编辑技术，将紧凑的降解决定子插入人类细胞的基因组中，在存在其他惰性的情况下，它招募了cereblon(细胞蛋白质破坏途径的关键组成部分)。小分子快速诱导蛋白质降解。
科学家们解析了三组分复合物的3D结构，揭示了对其活性和特异性的见解，并且还进化出了在小鼠细胞中起作用的降解决定子变体。该平台有潜力进化出更多新的降解决定子和分子胶复合物，可用于探索蛋白质功能或验证治疗靶点。该研究发表在《科学》杂志上。
该研究的资深作者、默金医疗保健变革技术研究所所长兼理查德·默金教授DavidLiu表示：“我们已经证明，持续进化是快速进化分子胶水系统的一种强大方法，可以成为有用的研究工具。”在布罗德。
“我们很高兴看到这种方法如何也可以用于进化其他以创造性和强大的方式与小分子相互作用的蛋白质。”刘还是霍华德休斯医学研究所的研究员和哈佛大学的教授。
胶水新突破
这项工作建立在今年早些时候发表的研究成果的基础上，由共同资深作者阿米特·乔杜里(AmitChoudhary)领导，他是博德研究所的准会员、哈佛医学院的医学助理教授。
该研究发现了许多与沙利度胺相关的分子，沙利度胺是一种经典的分子胶，可与cereblon相互作用，引发蛋白质降解，用于治疗某些癌症和皮肤病。尽管沙利度胺会引发大量蛋白质的破坏，但一种名为PT-179的相关分子相对惰性，使其成为更精确的分子胶系统的良好起点。
在这项新研究中，研究人员使用了一种称为噬菌体辅助连续进化(PACE)的系统，该系统于2011年在哈佛大学的Liu实验室首次开发，用于生成可能与PT-179一起工作的降解决定子。PACE使研究人员能够快速进化出具有有用特征的新蛋白质。
在共同第一作者JaronMercer和StephanDeCarlo领导的实验中，研究小组从锌指基序开始，这是一种已知与分子胶结合的小脑结合的蛋白质结构元件。经过PACE过程中数百代的进化，它们进化出了新的锌指结构域，当与PT-179分子胶结合时，它们与cereblon相互作用。
然后，研究人员将锌指结构域修剪为仅36个氨基酸，称为SD40。
“我们希望找到尽可能小的基序，这样我们就可以使用我们的主要编辑技术来有效地标记基因组中的内源基因，”哈佛大学研究生、刘实验室的研究员DeCarlo说。
“研究内源性调控下蛋白质的丢失是生物学的一个大目标，不仅可以验证药物靶标，还可以研究生物学中的天然蛋白质功能。”
然后他们使用prime编辑将SD40插入人类细胞的基因组中并标记两种不同的蛋白质。添加PT-179后仅几分钟，目标蛋白就开始从细胞中消失，并且对所评估的数千种非目标蛋白中的任何一个都没有观察到影响。
“其他系统已经显示出细胞外来蛋白质的降解，但使用我们进化出的这种有效标签，我们显示了来自该细胞的天然靶蛋白的降解，这更具生物学意义，”该研究中心的博士后研究员默瑟说。刘实验室.
为了深入了解SD40、cereblon和PT-179之间的相互作用，研究小组通过共同第一作者、共同资深作者实验室研究员ShouryaRoyBurman领导的工作，分析了复合物的三维结构。和达纳法伯癌症研究所的cereblon专家EricFischer。
使用冷冻电子显微镜，研究小组表明，当与SD40和PT-179结合时，cereblon处于闭合构象，SD40似乎将受体的两端固定在一起。这项工作表明，大脑可能需要“关闭”，以便将信息传递给复合物中的其他蛋白质，以标记要破坏的目标蛋白质，尽管需要更多的工作来验证和理解这种机制。
由于人类细胞和小鼠中降解蛋白质的细胞机制不同，该团队还利用他们的方法进化了一种与小鼠细胞中发现的大脑小脑结合的降解决定子，这可能有助于涉及人类疾病转基因小鼠模型的研究。
该平台还可用于进化具有新型降解决定子的分子胶复合物，或以新的、有趣的方式相互作用的其他蛋白质组合。
研究人员已经与癌症生物学和其他领域的科学家合作，利用他们进化的降解决定子来标记具有潜在治疗意义的蛋白质。这种方法使他们能够通过添加PT-179在几分钟内去除目标蛋白，同时保留相应基因的自然基因组背景，从而最大限度地减少对许多蛋白质的天然生物功能至关重要的调节机制的干扰。