【创新在大工】医学部张志超教授团队利用分子伴侣蛋白开发新一代广域降解覆盖的肿瘤特异性PROTAC技术平台

近日，张志超教授课题组连续在药剂学和药物化学领域TOP期刊 《 Journal of Controlled Release》（中科院大类一区，IF = 11.5）和《Journal of Medicinal Chemistry》（中科院大类一区，IF = 6.8）上发表研究，利用分子伴侣蛋白在蛋白质稳态中发挥的分子机器功能，开发了新一代肿瘤特异性、胞内外全域覆盖的精准蛋白降解药物平台，实现了“肿瘤特异性识别+降解机制拓展+降解效率增强”的多重效果。

PROTAC和LYTAC等蛋白靶向降解嵌合体技术分别降解胞内、胞外蛋白，已发展成为小分子药物开发领域的重要研究范式。但是，PROTAC和LYTAC等降解技术机制单一，存在肿瘤选择性不足、无法在同一平台中实现胞内外蛋白的全域降解覆盖、受降解通路上下游事件和“钩状效应”影响导致降解效率受限等问题。热休克蛋白（HSPs）是一类高度保守的分子伴侣蛋白，在蛋白质稳态维持中发挥核心作用。HSP70和HSP90作为表达量和功能互补的核心分子伴侣，在肿瘤细胞中高表达，调控多条不同的蛋白质降解通路——泛素-蛋白酶体（胞内）、内吞-溶酶体（胞外）、自噬-溶酶体途径（胞内）等，为开发高效、肿瘤选择性、全域降解覆盖的新型蛋白降解平台提供了理论依据。

在这两篇论文中，张志超课题组系统解析了伴侣蛋白HSP70和HSP90在肿瘤中的表达量和在蛋白降解中的功能。在表达水平方面，发现HSP70和HSP90均在肿瘤细胞中特异性表达上调，且在不同肿瘤谱系中的表达量具有互补性。在降解功能方面，发现HSP90可在不影响泛素化水平的情况下，通过对“后泛素化”事件的调控，实现与泛素-蛋白酶体降解通路的协同作用，增强PROTAC对胞内蛋白的降解效果；HSP70则通过泛素-蛋白酶体和内吞-溶酶体途径直接识别并降解胞内/外的靶蛋白。基于HSP90和HSP70的天然生物学特征，张志超课题组分别设计了两套蛋白靶向嵌合体系统：

（1）靶向HSP90的生物正交PROTAC前药系统（HBPROTAC），实现PROTAC的肿瘤特异性激活与降解效率增强。HBPROTAC系统由两部分组成：（1）四嗪（Tz）修饰的HSP90抑制剂，可在肿瘤细胞中特异性富集；（2）反式环辛烯（TCO）笼蔽的TCO-PROTAC前药，通过IEDDA反应在肿瘤细胞内点击释放活性PROTAC（如MZ1或DT2216），进而降解靶蛋白（如BRD4或Bcl-xL）。HBPROTAC系统不仅在黑色素瘤小鼠模型中实现了PROTAC在肿瘤部位的特异性激活，显著降低全身毒性，还通过HSP90与泛素化-蛋白酶体降解通路的协同作用，增强了靶蛋白的降解效果。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168365926002300

图1. HBPROTAC的机制示意图

（2）基于HSP70的“双通路”肿瘤特异性蛋白靶向降解嵌合体（HSP70TAC）系统，实现单平台对胞内外蛋白的全域降解覆盖。通过将HSP70抑制剂与靶蛋白配体偶联，在一个小分子平台中整合了泛素-蛋白酶体（胞内）和内吞-溶酶体（胞外）双通路，分别降解胞内BRD4与膜蛋白PD-L1，打破了PROTAC在蛋白定位上的“区室化”限制。由于HSP70在肿瘤细胞中丰度高，且HSP70TAC对HSP70亲和力适中（K_D ≈ 5 μM），避免了高浓度下三元复合物解离导致的“钩状效应”，保持高效降解。同样，利用Hsp70在肿瘤细胞中高表达的特征，Hsp70TAC也能够实现对靶蛋白的肿瘤特异性降解，降低正常细胞毒性。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.5c03784

图2. HSP70TAC的机制示意图

这两类蛋白降解系统在适用的肿瘤类型上具有互补性：HSP70TAC和HBPROTAC分别适用于Hsp70和Hsp90高表达的肿瘤，共同构建了一个覆盖更广泛肿瘤谱系、机制互补、模块化设计的PROTAC技术平台。

博士生殷方奎、硕士生王子涵分别为两篇论文的第一作者，医学部王紫千副教授、张志超教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、大连理工大学基础研究挂帅揭榜项目、大连理工大学-附属中心医院、附属肿瘤医院、附属第三人民医院医工合作项目的资助。