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ACS Cent. Sci. | 通过增强溶酶体中蛋白积累的分子配体实现膜受体降解

介绍的是最近在ACS Central Science上报道的一篇标题为Molecularly Built Ligands Degrade Membrane Receptors via Enhancing Their Accumulation in Lysosomes” 的文章。该文的通讯作者是湖南大学化学与化学工程学院赵子龙教授和刘艳岚教授本研究提出了一种基于分子工程的新型策略,通过设计可编程的配体-小分子偶联物,实现对细胞膜受体(如PD-L1EGFR)的选择性溶酶体降解,从而调控其功能,在肿瘤免疫治疗和靶向治疗中展现出广阔前景。

    膜受体在细胞信号转导、生长调控和免疫应答等关键生物学过程中扮演核心角色。据统计,超过60%的临床药物以膜受体为作用靶点。传统靶向这些受体的方法包括单克隆抗体阻断或小分子抑制剂,但存在耐药性、脱靶效应等问题。近年来,靶向蛋白降解(Targeted Protein Degradation, TPD)技术虽取得进展,但主要针对胞内蛋白,难以直接用于膜蛋白。因此,开发能特异性诱导膜蛋白降解的新策略具有重要意义。

    2020年,Bertozzi团队首次提出了溶酶体靶向嵌合体技术(LYTACs),通过将靶向致病蛋白的配体与识别细胞表面溶酶体穿梭受体的配体连接,成功实现了膜蛋白的降解。然而,现有LYTACs策略严重依赖于特定细胞表面溶酶体穿梭受体的表达,这使其应用受到细胞类型的限制,且某些穿梭受体(如整合素αvβ3)的过度活化可能与肿瘤进展相关,带来潜在毒副作用。因此,开发一种不依赖于细胞表面溶酶体穿梭受体的、普适性更强的膜受体降解平台,成为该领域亟待解决的关键问题。

    膜受体与配体结合后会发生内化,进入内体-溶酶体途径:要么被分选回收至细胞膜,要么在溶酶体中降解。溶酶体膜与细胞膜类似,限制亲水分子通过,但弱碱性亲脂分子可通过pH分配效应” 被动扩散进入酸性溶酶体,质子化后转变为亲水性分子,被牢牢捕获在溶酶体内。由于膜蛋白降解所依赖的主要途径即为溶酶体过程,这一特性为设计新型降解策略提供了关键理论基础。

    受此启发,作者团队提出了“分子构建配体”(Molecularly Built Ligands, MBLs)的概念,并在此基础上发展了“基于分子构建配体的溶酶体靶向嵌合体”平台(MBL-LYTACs)。该平台的设计核心是:将靶向特定膜受体的配体(可以是小分子、寡肽、适体、纳米抗体或抗体)与能够在溶酶体定位的分子模块(lysosome-localized moiety)进行化学偶联。当该双功能分子与膜受体结合并被内吞后,溶酶体定位模块在溶酶体酸性环境下发生质子化或通过氢键作用增加亲水性,从而滞留在溶酶体中,最终实现降解。(图1


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1. 分子构建配体降解剂MBL-LYTACs的示意图及其作用机制。


    首先作者选择了9种候选溶酶体定位分子(如吗啉MOR、二甲氨基乙胺DEA、不同聚合度的mPEG等),将其功能化并与靶向PD-L1的适体Mj5c偶联,构建了9MBL-LYTAC候选分子通过反相HPLC表征发现,Mj5c-MORMj5c-DEAMj5c-PEG3Mj5c-PEG4在酸性条件下亲水性显著增加。同时,Western Blot和免疫荧光等实验均表明,上述四种分子在H460这一非小细胞肺癌细胞系上实现了约65%-70%PD-L1降解水平。而其他候选分子(如Mj5c-PIDMj5c-PEG14/24)则降解效果微弱或无效果。(图2

 


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2. 基于PD-L1适配体的MBL-LYTAC的制备与功能筛选。


    进一步地,作者利用流式细胞术和共聚焦显微镜,系统比较了9种候选分子构建的适体在H460细胞中的内吞效率及其与溶酶体标志物(如LAMP1)的共定位情况。有效的降解分子(Mj5c-MORMj5c-DEAMj5c-PEG3/4)显著增强了适体的细胞内吞,并促进了PD-L1蛋白与溶酶体的共定位。相反,降解效果差的分子在内吞或溶酶体积累方面表现不佳。该结果证实了有效的溶酶体定位模块通过促进内吞和溶酶体滞留来驱动受体降解。(图3


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3. 不同化合物对MBL-LYTAC-PD-L1复合物内吞及溶酶体分布的影响


    接下来,作者以Mj5c-MOR为例,深入研究了MBL-LYTACs的作用机制。首先,蛋白质组学实验表明,降解具有PD-L1蛋白的特异性。通过加入针对不同过程的内吞抑制剂(网格蛋白:CPZ;小窝蛋白:genistein;巨胞饮:AMIwortmannin)、溶酶体抑制剂BafA1CQE64)、自噬抑制剂(3-MA)和蛋白酶体抑制剂(MG132),研究MBL-LYTACs降解膜蛋白所依赖的细胞过程。结果表明,CPZ 显著阻断 Mj5c-MOR 诱导的 PD-L1 内化与降解,其他内吞抑制剂影响微弱,表明依赖网格蛋白介导内吞。BafA1CQ显著抑制降解,MG132则无影响,表明降解依赖溶酶体而非蛋白酶体。对胞内PD-L1mRNA水平分析表明,该降解过程发生在转录后水平。(图4


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4. 分子构建适配体Mj5c-MOR的作用机制和内吞过程研究


    随后作者研究了该降解平台的普适性。制备了靶向PTK7的适配体Sgc8-MOR偶联物、靶向FRα的小分子FA-MOR偶联物、靶向EGFR的多肽配体GE11-MOR偶联物、PD-L1纳米抗体偶联物(NBPD-L1-MOR)、西妥昔单抗偶联物(CTX-(PEG4-MOR)5Western Blot结果表明多种配体类型的MBL-LYTACs能够成功降解目标膜蛋白,具有一定的普适性。(图5


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5. MBL-LYTACs降解作用的普适性分析


    最后,作者团队选择了上述降解效果较优的两种MBL-LYTACs,在不同动物模型上验证了其实际治疗效果4T1同系肿瘤模型中,血清稳定型的Mj5cTinv-MOR能有效抑制肿瘤生长,延长小鼠生存期。且能够增加肿瘤内CD8+ T细胞的浸润,促进引流淋巴结中树突状细胞的成熟,与抗PD-L1抗体联用显示出协同增效作用。在A549异种移植瘤模型中,比较西妥昔单抗(CTXEGFR抑制剂)与CTX-(PEG4-MOR)5的抗肿瘤效果及对EGFR信号通路的抑制。结果表明,CTX-(PEG4-MOR)5通过降解EGFR,比单纯抑制EGFR活性的CTX表现出更强的抗肿瘤效果,并更有效地阻断了EGF刺激下的EGFR及其下游AKT的磷酸化,有更良好的治疗潜力。(图6,图7


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6. Mj5cTinv-MOR4T1同源乳腺肿瘤模型中的治疗效果分析。


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7. CTX-(PEG4-MOR)5A549异种移植瘤模型中的治疗效果分析。


    综上所述,本研究成功开发了一种不依赖于细胞表面溶酶体穿梭受器的膜受体靶向降解平台MBL-LYTACs。该平台通过将靶向配体与溶酶体定位模块偶联,实现了对多种膜受体PD-L1EGFRPTK7FRα)的高效、特异性降解。研究系统阐明了其“增强内吞-促进溶酶体滞留-

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