近年來，利用細胞内蛋白質水解機制降解靶向蛋白質的技術層出不窮，但大多數技術還停留在培養細胞等體外應用階段。由日本理化學研究所生命醫科學研究中心團隊負責人谷内一郎、基礎科學特別研究員山下基和國立遺傳學研究所分子細胞工學研究室教授鐘卷將人等組成的聯合研究團隊，開發出了在小鼠體內降解靶向蛋白質的新技術。該技術不僅有望作為新的生物學實驗方法廣泛應用於高效、快速地從生物體中清除靶向蛋白質，而且還可以在體內再現抗體藥物和分子靶向藥等針對特定蛋白質的藥物效果，為藥物發現研究做出貢獻。相關研究成果已發表在《Nature Communications》上。
團隊負責人谷内一郎（左）和基礎科學特別研究員山下基（供圖：科學新聞社）
此前多使用基因剔除等方法研究基因的功能，近年來又出現了將目標基因本身產生的蛋白質從細胞或生物體中移除的研究。
在細胞内，存在可將不需要的蛋白質泛素化並由蛋白酶體降解的機制。因此，靶向蛋白質降解技術是通過調整介導泛素化的泛素連接酶化合物的獨特性來誘導靶向蛋白質泛素化和降解的。其中，使用降解子序列的靶向蛋白質水解技術用途非常廣泛。降解決定子序列是在降解決定子系統促效劑存在的情況下會被泛素連接酶復合體識別並發生泛素化的短肽序列，之後它會與目標蛋白融合，在促效劑作用下誘導目標蛋白降解。
目前已開發出了多種靶向蛋白質水解技術，但大多數還停留在培養細胞等體外應用階段。如果能在體內自由誘導靶向蛋白降解，則有望在更多生理條件下揭示靶向蛋白的功能，並應用於藥物發現研究。
此次研究團隊在小鼠模型中開發了利用降解決定子系統的體內靶向蛋白質降解技術。首先，為了控制細胞類型獨特性泛素連接酶的表達，將小鼠以外的其他生物的泛素連接酶復合體成分（人類的hCRBN基因和禾本科植物的OsTIR1基因）引入小鼠基因體，並建立了2個小鼠品系。此後，使用Cre-LoxP系統可在選定的細胞類型中誘導這些基因的表達。
第一個目標基因是細胞核中名為Satb1的基因體組織者。這是因為研究人員已經建立了可通過螢光檢測降解生物動力學小鼠的緣故。研究人員在小鼠基因體的Satb1基因座上引入了由hCRBN識別的SALL4降解子序列（S4D）和由OsTIR1識別的生長素誘導蛋白快速降解序列（mAID），產生了2種表達這些融合蛋白的小鼠品系。
為了讓降解系統工作，研究人員給S4D品系的小鼠腹腔注射了免疫調節劑沙利度胺衍生物泊馬度胺，給mAID品系的小鼠腹腔注射了植激素輔助素衍生物，結果觀察到靶蛋白Satb1在給藥後數小時内發生了降解。研究發現，除血液外，這兩種品系還能誘導胸腺、脾臟、淋巴結、肺、腸道和大腦等多個器官中的Satb1降解。
雖然很難給胎鼠與新生鼠腹腔注射配體，但研究發現，給懷孕和哺乳母鼠腹腔注射配體也可誘導胎鼠和新生鼠體內Satb1的降解。
研究人員在為母鼠腹腔注射單劑量配體後，按照時間推移測量血液T細胞（淋巴）中Satb1蛋白水平，發現在這兩個品系中，Satb1蛋白的含量都在配體給藥後幾小時内減少到了原來的10%左右。AID2品系需要大約3天時間才能恢復到原來的水平，而S4D品系通過更換溶解藥物的溶劑，可在24小時内恢復到原來的水平，降解狀態可維持10天以上。山下研究員說：「通過改變溶劑，可以改變維持蛋白質水解的時間。」
當對非目標蛋白質動態進行調查時發現，在S4D品系中，除了目標蛋白質外，與S4D分子相似的蛋白質也會發生降解，而在AID2品系中，除了目標蛋白質外，很少有蛋白質被降解，這表明其受質獨特性很強。團隊負責人谷内說：「我們認為，由於禾本科植物的遺傳起源較遠，因此更具獨特性。」
此外，研究還發現，作為免疫檢查點抑制劑靶標的膜蛋白PD1也能夠被降解。當以CD8+T細胞獨特性方式降解PD1時，可激活T細胞並增強抗腫瘤免疫力。
研究團隊負責人谷内說：「我們培育的小鼠品系存放在理化學研究所生物資源中心，希望更多的人都能使用。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Cell-type specific, inducible and acute degradation of targeted protein in mice by two degron systems
DOI：10.1038/s41467-024-54308-9
