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Nature:复旦大学鉴定出4种自噬体连接化合物有望治疗亨廷顿舞蹈病等polyQ疾病
发布时间:[2019-11-19]     访问人数:[19]
---亨廷顿舞蹈病(Huntington's disease, HD)是已被最广泛研究的四种主要神经退行性疾病之一。它的临床症状包括不受控制的舞蹈样行为(即舞蹈病)以及认知不足和精神异常。鉴于导致这种疾病的亨廷顿蛋白突变体(mutant huntingtin, mHTT, 突变型HTT)的生化活性尚未表征,因此通过传统药物发现方法发现阻断这些致病性蛋白生物活性的抑制剂并不可行。
 

在一项新的研究中,来自中国复旦大学的研究人员致力于解决这个问题。他们制定出一种创新的药物发现方法:使用自噬体连接化合物(autophagosome-tethering compound, ATTEC)来降解致病性蛋白并治疗这种疾病。他们进行了一项巧妙设计的筛选:采用了小分子微阵列和前沿光学技术,成功地识别出四种小分子化合物,它们都能特异性地降低引起亨廷顿舞蹈病的蛋白。相关研究结果近期发表在Nature期刊上,论文标题为“Allele-selective lowering of mutant HTT protein by HTT–LC3 linker compounds”。论文通讯作者为复旦大学的Yu Ding教授、Yiyan Fei教授 和Boxun Lu教授。论文第一作者为复旦大学的Zhaoyang Li、Cen Wang、Ziying Wang和Chenggang Zhu。

“小分子胶(small molecule glue)”可帮助自噬体“吞噬”致病性蛋白

鉴于传统方法对mHTT不可行,因此这些研究人员提出了一个全新的想法,即通过利用自噬---细胞内的蛋白降解过程---降解mHTT。在自噬过程中,关键蛋白LC3发生脂化并扩展成双膜结构,然后这种双膜结构吞噬蛋白、脂质、细胞器和其他降解产物并形成完整的自噬体。自噬体随后与溶酶体融合在一起,自噬体吞噬的物质被降解。

但是,如果发生非特异性增强,自噬会降解所有被吞噬进自噬体的蛋白,包括在神经保护中起作用的正常野生型亨廷顿蛋白(HTT)。这可能会弄巧成拙。

为了鉴定出仅降解mHTT而不会降解野生型HTT的化合物,这些研究人员设想了一种充当“自噬体连接化合物”(ATTEC)的“小分子胶”,它可以将LC3和mHTT结合在一起,从而使得mHTT被吞噬到自噬体中以便随后遭受降解。同时,ATTEC不与野生型HTT蛋白相互作用,因而不会影响野生型HTT蛋白。通过筛选、验证和初步搜索结构相似的化合物,他们鉴定出四种具有所需特性的化合物。

在这一点上,这四种鉴定出的化合物具有将mHTT连接到自噬体上而不影响野生型HTT的潜力,但是它们是否确实如预期的那样在降解mHTT中起作用,还需要进一步验证。这些研究人员发现这四种化合物在大约10~100纳摩尔浓度下显著降低HD小鼠神经元、HD患者细胞和HD果蝇模型中的mHTT水平,而且对野生型HTT水平的影响很小。令人兴奋的是,这四种化合物中至少有两种能够穿过血脑屏障,并且小剂量腹腔内注射会显着降低HD小鼠皮质和纹状体中的mHTT水平,而不会影响野生型HTT水平。它们还显著改善了疾病相关表型,这就为开发口服或注射用HD药物提供了切入点。

鉴定这样的ATTEC是充满挑战性的。大约2000种化合物中只有一种具有所需的特性。因此,长期以来,发现ATTEC是这个研究项目的主要障碍。复旦大学的Yiyan Fei教授课题组的参与使这成为可能。Yiyan Fei课题组开发出一种基于小分子微阵列和斜入射反射率差异(oblique-incidence reflectivity difference, OI-RD)技术的新型高通量化合物筛选平台,该平台快速、灵敏、无需标记、高通量。它可以从由成千上万个小分子化合物组成的化学物文库中鉴定出与靶蛋白相互作用的化合物。

这些研究人员将近4000种小分子化合物压印在芯片上,并让靶蛋白质流过芯片。如果样品与固定在芯片上的特定化合物结合,那么该位置的分子层会变厚,这会产生可以通过灵敏的光学方法(即OI-RD)检测到的微小变化。通过使用这种最先进的筛选方法,他们发现了两种可以与LC3和mHTT蛋白结合但不与野生型HTT结合的小分子。在研究了一组具有相似结构的小分子化合物后,他们总共鉴定并验证了四种结合LC3和突变型HTT的ATTEC。

自噬连接化合物可能会为药物发现打开新的窗口

这些研究人员进一步探索了这些小分子化合物可以区分突变型和野生型HTT蛋白的内在机制,其中除了谷氨酰胺重复序列(polyQ)的长度存在差别外,突变型和野生型HTT蛋白几乎是相同的。结果表明这些化合物与仅出现在mHTT中的过长polyQ片段结合。

基于此,这些研究人员意识到这些小分子化合物的应用可能远不止于对亨廷顿舞蹈病的潜在治疗。九种人类疾病被称为polyQ疾病,这是因为它们都是由含有过长polyQ的特定突变蛋白引起的。在这九种疾病中,III型脊髓小脑共济失调(spinocerebellar ataxia type III, SCA3)在中国人群中最为常见。

SCA3的临床症状包括运动不协调,无法保持身体姿势和平衡,并伴有可能的眼球突出、反射亢进、面部肌肉抽搐、肌腱症状和其他症状。利用来自复旦大学附属华山医院Jian Wang教授课题组的Yimin Sun博士提供的SCA3患者细胞,这些研究人员发现这些化合物可以有效降低导致这种疾病的ATXN3蛋白突变体(polyQ长度为74,即具有74个谷氨酰胺)的水平,而不会影响野生型ATXN3(polyQ长度为27)。

当谈到这项研究的未来发展和应用时,复旦大学生命科学学院的Boxun Lu教授说:“这些化合物不仅可以有效治疗亨廷顿舞蹈病,而且还可以应用于其他的polyQ疾病。使用自噬体连接化合物进行药物开发的概念也可以应用于无药可靶向的(undruggable)的其他致病性蛋白,甚至可以应用于非蛋白的致病性物质,比如细胞器或脂质。”