蛋白降解新突破：清华陈晔光团队等首次开发出靶向β-catenin的PROTAC多肽，有效抑制结肠癌

原创 BioWorld 生物世界

摘要：近日，清华大学陈晔光教授团队和上海大学胡宏岗教授团队合作，首次报道了靶向降解β-catenin的PROTAC多肽xStAx-VHL，能够直接识别β-catenin蛋白并经由泛素化蛋白酶体途径促进其降解，不仅能在细胞层面抑制Wnt信号，而且在多种小鼠肿瘤模型中也能发挥很好的抑癌作用，更重要的是，对于结肠癌病人的肿瘤类器官也能发挥明显的抑癌效果。

PROTAC（Proteolysis-Targeting Chimera）技术，通过把E3泛素连接酶和目标蛋白联系在一起，导致目标蛋白的泛素化修饰，从而被蛋白酶体分解成多肽和氨基酸。目标蛋白被降解后，PROTAC会被释放重用，继续破坏目标蛋白。

相比于其他的药物和疗法，PROTAC有许多潜在的优势，比如其组织分布广泛，可以口服给药。相比于其他疗法（如细胞治疗、抗体药物等），PROTAC的生产流程更简单。相比小分子药物，PROTAC可以靶向其更多小分子药物无法靶向的靶点，产生更好的效果。

最近几年，PROTAC技术飞速发展，已被证明是最具潜力、最有突破性的药物研发技术之一。尤其是近期在美国临床肿瘤年会（ASCO）上，PROTAC技术大放异彩。美国Arvinas公司公布了首个PROTAC药物的临床一期数据——靶向雄激素受体的PROTAC药物ARV-110在转移性去势抵抗性前列腺癌（mCRPC）患者身上安全且有效。

Arvinas、Kymera、Nurix、C4 Therapeutics、Cedilla、Monte Rosa等PROTAC创业公司接连获得巨额融资，BMS、诺华、GSK、默沙东、辉瑞、拜耳等国际制药巨头纷纷布局，我们几乎可以预见，在不远的将来，PROTAC技术极可能掀起一波重磅药物上市潮。

结肠癌（Colorectal cancer，CRC）在世界范围内是一种高发病率和高致死率的癌症，随着现代社会的生活压力越来越大，更多人饮食习惯偏重油盐煎炸食品，以及饮酒等行为，在可预见的将来，结肠癌的发病率可能会进一步增加。

在环境因素和生活方式的表象之下，科学家们对于结肠癌发病分子机制的认识也更加深入，许多基因被发现在病人肠道肿瘤组织中发生了突变，例如APC、 TP53、 KRAS、BRAF、 PIK3CA、SMAD4和CTNNB1等，涉及RAS-MAPK、P53、PI3K、TGF-β和Wnt/β-catenin等信号通路。

在众多信号通路之中，Wnt/β-catenin信号的过度激活对于结肠癌的发生发展是最重要的，超过80%的结肠癌患者肿瘤中出现了APC的失活突变或CTNNB1的激活突变，导致信使分子β-catenin蛋白在细胞中持续累积，最终导致Wnt/β-catenin信号过度激活和癌细胞的大量增殖。因此，通过抑制Wnt/β-catenin信号来达到抑癌作用成为一个受人瞩目的领域。

Wnt/β-catenin信号通路的成员主要包括分泌于细胞外的Wnt配体、跨细胞膜的受体复合物和细胞内的降解复合体，以及信使分子β-catenin。一方面，过去针对Wnt/β-catenin信号通路的抑制剂作用靶点绝大多数集中在β-catenin的上游，不仅存在副作用，而且无法克服β-catenin的激活突变；另一方面，直接作用在β-catenin的抑制剂几乎都是化学小分子，由于β-catenin并无酶活性和小分子结合口袋，与其他蛋白的作用界面都很大，互作蛋白种类多且复杂，因此这类小分子抑制剂很难对β-catenin的功能进行彻底的抑制

而多肽相比于小分子有结合面积大，特异性高等优点，过去有文献报道订书肽xStAx能够在细胞层面通过结合β-catenin抑制Wnt信号，但是，在生物体内xStAx难以发挥作用。提高针对Wnt/β-catenin信号的多肽类抑制剂的生物活性，从而在生物体内发挥抑癌能力，成为一个很有应用前景的研究方向。

近日，清华大学陈晔光教授和上海大学胡宏岗教授作为共同通讯作者在 Cell Discovery 杂志发表了题为：A PROTAC peptide induces durable β-catenin degradation and suppresses Wnt-dependent intestinal cancer 的研究论文。

在该论文中，研究者利用蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）技术，在多肽xStAx基础上，设计合成了新的嵌合体多肽抑制剂xStAx-VHL，这个嵌合体多肽能够直接识别β-catenin蛋白并经由泛素化蛋白酶体途径促进其降解，不仅能在细胞层面抑制Wnt信号，而且在多种小鼠肿瘤模型中也能发挥很好的抑癌作用，更重要的是，对于结肠癌病人的肿瘤类器官也能发挥明显的抑癌效果。

由于PROTAC分子都是双功能分子，一端识别并结合靶标蛋白，另一端招募泛素连接酶促进靶蛋白的降解，研究者首先利用订书肽SAHPA1（Wnt信号激活肽）和xStAx（Wnt信号抑制肽）作为特异性识别β-catenin的部分，然后选择识别多肽ALAPYIP作为招募VHL泛素连接酶的配体，两者之间用氨基己酸连接，经过化学合成，得到两种PROTAC嵌合体多肽SAHPA1-VHL和xStAx-VHL。

多种结肠癌细胞系的实验显示，只有xStAx-VHL表现出对β-catenin明显的降解能力。这说明嵌合体多肽xStAx-VHL明显提升了先导肽xStAx的β-catenin降解能力和Wnt信号抑制能力，而SAHPA1-VHL并未逆转SAHPA1对Wnt信号的激活作用。

在裸鼠皮下成瘤的实验中，xStAx-VHL对结肠癌细胞的成瘤能力表现出明显的抑制作用。

并且，在另外两种小鼠模型（APCmin/+小鼠和Axin2LacZ小鼠）中，研究者将xStAx-VHL注射到小鼠体内，肿瘤数量明显减少，并且证明了xStAx-VHL的抑癌能力是通过β-catenin的降解和Wnt信号的抑制得以发挥的。

最后，在小鼠模型以外，研究者利用结肠癌患者的肿瘤组织培养出肿瘤类器官，再用多肽处理，发现绝大多数肿瘤类器官的生存受到多肽xStAx-VHL的明显抑制，这证明了PROTAC多肽xStAx-VHL潜在的临床应用价值。

总的来说，这项研究第一次报道了靶向降解β-catenin的PROTAC多肽xStAx-VHL，该多肽不仅可以在细胞层面降解β-catenin和抑制Wnt信号，而且在生物体内也能发挥较好的抑癌作用。这个PROTAC多肽可以避免小分子抑制剂对β-catenin蛋白抑制能力不足的问题。

当然，目前的PROTAC多肽xStAx-VHL仍然存在作用浓度偏高等问题。在未来的研究工作中，研究者将从各方面对xStAx-VHL进行优化，希望能进一步提高其生物活性。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41421-020-0171-1

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