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功能寡核苷酸系统进化用于靶向蛋白质降解

期刊:ChemDOI:10.1016/j.chempr.2024.102408

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


一、研究团队与发表信息
本研究由Huang Su、Yifan Chen、Xuyang Zhao等共同完成,通讯作者为Liqin Zhang(北京大学医学部天然药物及仿生药物国家重点实验室)。论文《Systematic Evolution of Functional Oligonucleotides for Targeted Protein Degradation》于2025年5月8日发表于期刊《Chem》(卷11,页码102408),DOI号为10.1016/j.chempr.2024.102408。

二、学术背景与研究目标
研究领域为靶向蛋白质降解(Targeted Protein Degradation, TPD)技术,旨在解决传统TPD技术(如PROTACs)面临的挑战:靶向配体(warhead)筛选耗时且依赖已知配体,连接子(linker)优化复杂。适配体(aptamer)因其体外进化能力被视为潜在解决方案,但缺乏功能性进化平台。本研究提出了一种系统性进化策略,直接筛选能同时结合靶蛋白并招募E3泛素连接酶的“功能性适配体”,建立可定制化降解任意靶蛋白的平台。

三、研究流程与方法
研究分为三大实验模块,均以BRD4(溴结构域蛋白4)和IRAK4(白介素-1受体相关激酶4)为模型靶蛋白:

  1. 适配体-E3配体嵌合体(aptamer chimera)的进化

    • 文库设计:构建20 nt随机序列的DNA文库,末端修饰E3配体(如pomalidomide或VH032),通过乳液PCR将文库单克隆展示于微球。
    • 功能筛选:将微球与荧光标记的靶蛋白、泛素-FITC及E3连接酶系统共孵育,通过流式细胞术(FACS)分选能诱导泛素化的微球(双荧光信号)。
    • 迭代优化:经过多轮筛选与测序,获得高活性嵌合体(如PA2和VIA2),其降解效率分别达87%和79.4%。
    • 创新方法:首次将E3配体直接嵌入随机文库,通过功能性筛选替代传统“先结合后优化”策略;开发了基于点击化学的配体定点修饰技术。
  2. 双特异性RNA适配体(bispecific RNA aptamer)的进化

    • 文库构建:采用核酸序列依赖性扩增(NASBA)技术构建40 nt随机RNA文库,通过乳液NASBA实现微球展示。
    • 筛选与验证:获得双特异性RNA降解剂BRA1,可同时结合BRD4和VHL E3连接酶,降解效率达79.2%。
    • 技术突破:首次建立RNA适配体的功能性进化平台,解决了RNA微球展示的技术难题。
  3. 机制验证与体内外评估

    • 降解机制:通过蛋白酶体抑制剂MG132和泛素化抑制剂MLN4924证实降解依赖泛素-蛋白酶体系统(UPS)。
    • 下游效应:降解BRD4导致其下游蛋白c-Myc下调,并抑制BET家族蛋白(BRD2/3)表达。
    • 动物模型:在HEP3B(肝癌)和A375(黑色素瘤)皮下移植瘤模型中,嵌合体PA2/VIA2和RNA降解剂BRA1均显著抑制肿瘤生长(p<0.0001),且无显著毒性。

四、主要研究结果
1. 功能性适配体的高效筛选:PA2(pomalidomide修饰)对BRD4的KD值为5.3 nM,降解率优于传统PROTACs;VIA2通过缩短E3配体与随机区的距离,进一步提升了降解动力学。
2. 双特异性RNA的突破:BRA1无需化学修饰即可实现高效降解,其KD值达0.9 nM,展现了RNA适配体的天然优势。
3. 广谱应用潜力:同一平台成功降解IRAK4,验证了方法的普适性。

五、研究意义与价值
1. 科学价值:提出了“功能性适配体”新范式,将TPD开发从经验性优化转为定向进化。
2. 应用价值:为“不可成药”靶点提供降解工具,适配体可通过现有siRNA/mRNA递送系统实现临床转化。
3. 技术拓展:平台可延伸至调控蛋白质翻译后修饰或其他功能,如磷酸化、乙酰化等。

六、研究亮点
1. 方法创新:首次实现适配体的功能性直接进化,突破了传统结合筛选的局限性。
2. 多模态设计:涵盖DNA嵌合体、修饰DNA和天然RNA,其中RNA降解剂展现了最佳性能。
3. 机制深度验证:从体外泛素化到动物模型,系统性证实了降解机制与治疗效果。

七、其他价值
研究开发的微球展示与乳液NASBA技术可推广至其他核酸药物筛选,如ASO或siRNA优化。此外,分子动力学模拟揭示了PA2-BRD4-CRBN三元复合物的构象动态,为理性设计提供了结构基础。


(注:全文约2000字,涵盖研究全貌,重点突出方法学创新与跨学科价值。)

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