首次在动物水平上揭示PROTAC工具对FAK蛋白非激酶结构域的调控

来源：BioArt

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FAK（Focal adhesion kinase，粘附斑激酶）蛋白即具有激酶依赖的酶活功能，又具有非激酶依赖的骨架功能，这两种功能在肿瘤发生、早期胚胎发育、生殖等方面都起着至关重要的作用。传统的小分子抑制剂仅能作用于蛋白的激酶结构域，对同样也发挥功能的非激酶结构域即骨架结构域则没有作用。另外，FAK蛋白是一种胚胎致死性蛋白，现有的敲降技术很难实现其成体动物水平的蛋白敲降。PROTAC（Proteolysis targeting chimera ）技术是利用细胞内泛素-蛋白酶体系统，选择性降解细胞内靶蛋白的一种化学敲降技术，其可同时消除靶蛋白的激酶功能和非激酶功能（详见BioArt报道：特别推荐 | PROTAC技术的机遇及挑战）。

2020年5月22日清华大学药学院饶燏课题组与清华大学医学院纪家葵课题组、中科院动物所韩春生课题组合作在Protein & Cell期刊上发表题为“FAK-targeting PROTAC as a chemical tool for the investigation of non-enzymatic FAK function in mice”的研究工作。该研究首次在动物水平上揭示了PROTAC工具对FAK蛋白非激酶结构域的调控，并系统评价了FAK靶向的PROTAC分子在细胞及动物水平的生物学功能，为FAK-PROTAC工具的体内外应用提供了理论支持。

该研究工作中，作者从构建的FAK靶向的PROTAC小分子工具库中，发现PROTAC分子FC-11能够高效的降解小鼠生殖系统中睾丸、附睾、精囊和包皮腺中的FAK蛋白，并导致Try397位磷酸化FAK水平的显著的下调，效果远远优于FAK抑制剂PF562271。当停止给药后，随着停药天数的延长，这些组织/器官中的FAK蛋白可逐渐恢复到正常水平。

基于FC-11在小鼠生殖系统中高效、可逆的蛋白降解效果，研究者继续在小鼠体内观察了FC-11与FAK抑制剂PF562271对小鼠生殖功能的差异。等摩尔量给药的前提下，发现FC-11可显著降低小鼠精子的活力，PF562271没有显著影响。体外受精实验发现，FC-11显著降低了小鼠精子的受精能力和后期的胚胎发育，PF562271没有显著影响。TUNEL细胞凋亡检测发现，只有FC-11能够显著诱导睾丸生精小管基底膜处的精细胞发生凋亡，PF562271则无此作用。

总之，该研究表明，PROTACs可应用于开展蛋白非酶活功能的研究，弥补传统小分子抑制剂只能作用于蛋白酶活功能的不足。不同于之前基于DNA或RNA的蛋白敲降技术，PROTAC旨在直接敲降目标蛋白而非作用于基因和核酸水平，这一特点非常适用于成年生物体中胚胎致死性蛋白的功能研究。此外，该策略还提供了一种精确的时间控制，可在生物体发育的特定时间点控制目标蛋白的敲降，并实现目标蛋白的可逆恢复。

值得一提的是，近年来饶燏研究团队围绕PROTAC技术做出了系列重要工作，2019年该团队在Protein & Cell杂志发表研究论文【1】，开发了一类高效靶向降解HDAC6蛋白的PROTAC工具分子，实现了在多种肿瘤细胞系中对HDAC6的高效降解。去年11月饶燏研究员还应BioArt的邀请撰写了《PROTAC技术的机遇及挑战》一文详细介绍了PROTAC技术的发展历程以及该技术面临的机遇与挑战。

饶燏课题组高红英博士和韩春生课题组郑春伟博士为本工作共同第一作者，饶燏、纪家葵和韩春生为共同通讯作者。

参考文献：

An, Z., Lv, W., Su, S., Wu, W., & Rao, Y. (2019). Developing potent PROTACs tools for selective degradation of HDAC6 protein. Protein & Cell, 10(8), 606-609.