CRBN je účinně degradován VHL-CRBN heterodimerizing PROTACs
PROTAC technologie využívá E3 ligázy zničit cílové proteiny. Tak jsme přemýšleli, zda E3 ligázy sám o sobě může být ubiquitní a degradován tím, že další E3 ligázy-li dva různé E3 ligázy jsou umístěny v blízkosti. Degradátory VHL mohou být potenciálně náhražkami erytropoetinu aktivací HIF1a. Design, jsme připojen pomalidomide, CRBN-cílení molekuly, VHL032, VHL E3 ligázy ligand (Obr. 1A). Linker připojen amino skupina pomalidomide a terminálu acetyl skupina VH032; protože tyto jsou rozpouštědla-exponovaných oblastech, spojení mezi nimi by se pravděpodobně nebude ničit jejich vazba na každé E3 ligázy. Pro syntézu VHL-CRBN heterodimerizujících Protaců (obr. 1B a doplňkový obr. S1A), 4-fluorothalidomid (1) a VHL ligand (5) byly připraveny podle dřívější33. 4-Fluorothalidomide (1) byl léčen čtyři amine linkery (2) s terc-butyl ester skupiny v přítomnosti N,N-diisopropylethylamine (DIPEA) v dimethyl sulfoxidu (DMSO) za vzniku meziproduktu (3). Následující deprotection terc-butylová skupina, ve 3 působením trifluoroctové kyseliny (TFA) v dichlormethanu (DCM), kyselina (4) byl spolu s VHL ligand (5 nebo 7) v přítomnosti 1–1H-1,2,3-triazolopyridinium 3-oxid hexafluorofosfát (HATU) a DIPEA, aby výnos PROTACS (6), TD-158, TD-165, TD-343 a TD-487 (8).
po ošetření těmito sloučeninami jsme zkoumali hladiny VHL a CRBN analýzou Western blot. Léčba TD-158, TD-165 nebo TD-343 způsobila pokles hladiny crbn proteinů v závislosti na koncentraci (obr. 1C, horní panel). Hladiny jak VHL dlouhé formy, tak VHL krátké formy se však zvýšily, pravděpodobně v důsledku stabilizace chemicko-proteinovou interakcí (obr. 1C, horní-střední a dolní-střední panely) 34. V případě léčby s 10 µM TD-158, CRBN úrovně byly obnoveny; tento „háček“ efekt je typický rys, který se vyskytuje v souvislosti s vysokou dávkou PROTAC-indukovaný protein degradation9,35,36,37. TD-487, stereoizomer TD-165, však nedokázal vyvolat degradaci CRBN (obr. 1C). TD-343 má relativně slabou aktivitu, což znamená, že začlenění kyslíku do linker inhibuje protac aktivitu. Kvantitativní reverzní transkripce-polymerázové řetězové reakce (RT-PCR) analýza ukázala, že snížení hladiny CRBN vyvolané VHL-CRBN heterodimerizing PROTACs nedošlo v důsledku změny v mRNA (Doplňkový Obr. S1B). Hodnoty 50% degradační koncentrace (DC50) a maximální degradace (Dmax) byly měřeny pro všechny syntetizované sloučeniny. Vypočtené hodnoty DC50 a Dmax pro TD-158 byly 44,5 nM a 97.1% a odpovídající hodnoty pro TD-165 byly 20,4 nM a 99,6% (obr. 1D a doplňkový obr. S1D). Kratší linker-obsahující degrader TD-156 (DC50 = 100.6 nM, Dmax = 96.9%), zobrazí se slabší aktivitu ve srovnání s TD-165 (Doplňkový Obr. S1C). TD-343 (DC50 = 367,8 nM, Dmax = 85,1%), s kyslíkem začleněným do linkeru, vedlo k neefektivní degradaci CRBN. Abychom otestovali účinek vazby na thalidomid, zkoumali jsme degradaci CRBN heterodimerizujícími Protaky VHL-CRBN s jinou vazbou. TD-760 (DC50 = 367.7 nM, Dmax = 82%), s glykolová vazby, a TD-033 (DC50 = 2546.1 nM), se amidové vazby, vykazovaly sníženou CRBN rozkladu, vzhledem k tomu, že TD-759 (DC50 = 28.8 nM), s glycinem vazby, zobrazí potence podobné TD-165. K určení, zda relativní hladiny proteinu by mohlo přispět k této neobjektivní degradace proteinů, léčili jsme buňky se zvýšenou expresí VHL, CRBN, nebo jak s TD-158, a analyzovány CRBN a VHL úrovně. Ve všech případech byly hladiny CRBN sníženy, zatímco hladiny VHL zůstaly podobné nebo zvýšené (obr. 1E). V čase-průběh experimentů, TD-158 degradován CRBN o více než 80% ve 3 h a zcela degradován po 12 h (Obr. 1F). Degradace CRBN indukovaná TD-158 byla také pozorována v různých liniích lidských buněk (Doplňkový obr. S2A-D–.
Degradace CRBN tím, VHL-CRBN heterodimerizing PROTACs je závislá na CRL2VHL
ověřte, zda CRBN degradaci TD-158 byl závislý na UPS nebo Cullin-RING ubiquitin ligázy (CRL), testovali jsme bortezomib, proteazomový inhibitor, a MLN4924, neddylation inhibitor. Současná léčba TD-158 a bortezomibem nebo MLN4924 zabránila degradaci CRBN (obr. 2A a doplňkový obr. S3A). Jak se očekávalo, tvorba poly-ubichitinového řetězce se výrazně zvýšila v přítomnosti TD-158(obr. 2B). Kromě toho knockdown VHL malou interferující RNA (siRNA)oslabil degradaci CRBN indukovanou TD-158 v buňkách HEK293T (obr. 2C). Naproti tomu exprese VHL v 786-o buňkách, buněčné linii renálního karcinomu s deficitem VHL, obnovila degradaci CRBN indukovanou TD-158 (obr. 2D). V souladu s těmito výsledky siRNA-zprostředkované vyřazující Cullin2, lešení proteinu CRL2VHL komplexu, brání TD-158–indukované CRBN degradace (Obr. 2E). Souhrnně tyto výsledky naznačují, že degradace CRBN heterodimerizujícími Protacy VHL-CRBN je závislá na komplexu CRL2VHL.
Efektivní degradace PROTACs vyžaduje vytvoření ternární komplex s cílový protein a E3 ligase9,38. Abychom to otestovali, provedli jsme koimunoprecipitační experimenty. Zjistili jsme, že exogenně vyjádřil Flag-tagged CRBN co-immunoprecipitated endogenní VHL v přítomnosti TD-158, ale ne v jeho nepřítomnosti (Obr. 2F). GST pull-down experimenty s použitím purifikovaných proteinů ukázaly, že CRBN přímo interagoval s komplexem VHL-Elongin B/C v přítomnosti TD-158 (obr. 2G). Navíc přidání přebytečného pomalidomidu nebo ligandu VHL inhibovalo degradaci CRBN indukovanou TD-158 (Doplňkový obr. S3B, C). Exogenně exprimovaný CRBN Y384 / W386A (AA), defektní mutant vázající pomalidomid16, nebyl TD-158 degradován (Doplňkový obr. S3D). Tato data tedy naznačují, že tvorba ternárního komplexu mezi CRBN, VHL a TD-158 je předpokladem degradace CRBN.
globální proteomic analysis ukazuje, že TD-158 indukuje degradaci CRBN
zkoumat degradaci CRBN v objektivní módní, provedli jsme kvantitativní proteomic analysis. Minimalizovat vedlejší účinky CRBN degradace, chovali jsme se k Jurkat buněk, které vyjádřil CRBN a IMiD neo substráty, s TD-158 nebo DMSO (kontrola vozidla) po dobu 12 h. Proteinů z každého vzorku byly stravitelné a stravitelné peptidy byly označeny pro izobarický označení spolu se kapalinová chromatografie-tandemová hmotnostní spektrometrie. Tato analýza identifikovala 7 148 proteinů obsahujících více než tři redundantní jedinečné peptidy (doplňková tabulka S1). Pouze tři proteiny—CRBN, CNIH1 a LMBRD2—splnily kritéria hodnoty P = 0,05 a více než 1,5 násobné změny. Mezi nimi byl CRBN jediným proteinem, který se změnil více než 2krát (obr. 3A). Nicméně, úrovně ostatních složek CRL4CRBN komplexy (CUL4A, CUL4B, DDB1, a RBX1) a CRL2VHL komplexy (elongin C , elongin B , CUL2, a RBX1) zůstal beze změny (Obr. 3B,C). Zajímavé je, že hladiny dříve hlášených neo-substrátů Imidů, včetně IKZF1, IKZF3, ZFP91, ZNF276 a ZNF653, nebyly při léčbě TD-158 změněny (obr. 3B) 39,40,41. Tyto výsledky byly potvrzeny imunoblotováním v Jurkat a různých buněčných liniích mnohočetného myelomu (obr. 3D a doplňkový obr. S2A-D–.
CRBN degradace VHL-CRBN heterodimerizing PROTACs rekapituluje a CRBN nedostatek
endogenní substrát CRL4CRBN je glutamin syntetáza GLUL, což je klíčový enzym v biogeneze glutaminu. Na acetyltransferázu CBP/p300 acetylates dvě N-terminální lysin rezidua GLUL v podmínkách vysoké hladiny glutaminu, a výsledný acetylovaný GLUL je zajat a ubiquitní tím, CRL4CRBN a následně odstraněna proteasomes22. Zkoumat vliv TD-158 na GLUL úrovně, hladověli jsme Hep3B buňky glutaminu po dobu 48 h a pak doplnění zásob glutaminu v přítomnosti nebo nepřítomnosti TD-158. TD-158 indukovala degradaci CRBN bez ohledu na stav glutaminu a hladiny GLUL se v průběhu času snižovaly pomaleji v přítomnosti TD-158 než v jeho nepřítomnosti (obr. 4A,B). Kromě toho in vivo ubikvitinační testy ukázaly, že ubikvitinace GLUL se snížila v přítomnosti TD-158 (obr. 4C). Zkoumali jsme také, zda léčba TD-165 poskytuje buněčnou rezistenci na IMiD. Dva IMiD-citlivé buněčné linie, WSU-DLCL2 a RPMI8226, byly předem ošetřeny TD-165 nebo DMSO po dobu 24 h, a pak se zpracuje s pomalidomide, TD-165, nebo oba pro 3 d. Pre-ošetření s TD-165 snížena na anti-proliferační účinky pomalidomide v obou buněčných linií (Obr. 4D, E). Společně tyto údaje naznačují, že degradace CRBN heterodimerizujícími Protacy VHL-CRBN rekapituluje nedostatek CRBN.
zkoumat in vivo účinky VHL-CRBN heterodimerizing PROTACs, jsme se pokoušeli zjistit, zda TD-165 může vyvolat CRBN degradace na zvířecích modelech. I když aminokyselinových zbytků v myši CRBN (mCRBN) důležité pro teratogenitu nejsou zachovány, mCRBN byl výrazně degradován, i když v poněkud menší míře, TD-165 v myších embryonálních fibroblastů (Doplňkový Obr. S4A). Potom jsme podávali TD-165 intraperitoneálně myším, abychom zjistili, zda TD-165 indukuje degradaci CRBN in vivo. Hladiny CRBN se však nezměnily ve slezině, mononukleárních buňkách periferní krve (pbmc)nebo játrech (Doplňkový obr. S4B). Vzhledem k tomu, že farmakokinetika TD-165 jsou přiměřené (Doplňující Tabulky S2), tento nedostatek vliv může být přiřaditelné k vysoké vazbě na plazmatické proteiny (99.9%) TD-165 (Doplňující Tabulka S3).
N-terminálně zkrácený CRBN není degradován VHL-CRBN heterodimerizing PROTACs
určit, které domény CRBN je důležité pro TD-165–zprostředkované CRBN degradace, jsme vytvořili sérii CRBN deleční mutanty (D1–D4), jak je znázorněno na Obr. 5A. Buněk exprimujících full-délka CRBN nebo individuální smazání mutanti byli léčeni buď DMSO nebo TD-165, a buněčné lyzáty byly zkoumány pro rozklad po TD-165 léčby. Překvapivě žádný ze čtyř delečních mutantů CRBN nebyl degradován TD-165, zatímco CRBN v plné délce byla účinně degradována (obr. 5B). Zejména, VHL byly hladiny mírně zvýšené, zřejmě kvůli stabilizaci chemické-proteinové interakce v přítomnosti TD-165, ale nemění výraz zkrácen CRBN mutanti v přítomnosti TD-165 (Obr. 5B). Jedním z možných vysvětlení by byla neschopnost delečních mutantů vytvořit ternární komplex. Mutant D1 však vytvořil ternární komplex s TD-165 a VHL (obr. 5C) a ubikvitinace D1 se zvýšila za přítomnosti TD-165 (obr. 5D). Poté jsme předpokládali, že pro ubikvitinaci jsou vyžadovány amino-terminální lysinové zbytky CRBN. Pro testování této myšlenky jsme substituovali všechny tři zbytky lysinu v N-konci CRBN (a.a. 1-80) argininem, jednotlivě i v kombinaci, a poté zkoumali buněčné lyzáty pro degradaci CRBN. TD-158 účinně degradoval všechny mutanty ve stejném rozsahu jako CRBN divokého typu (obr. 5E), což znamená, že tří lysinových zbytků na N-konci CRBN nejsou nutné pro degradaci vyvolané VHL-CRBN heterodimerizing PROTACs.
neuspořádané oblasti cílené protein je nutné pro efektivní PROTAC-indukované degradaci
dále Jsme se snažili zjistit, strukturální rozdíly mezi full-délka CRBN a CRBN deletovaný mutant D1. Předpokládalo se, že N-konec CRBN (a.a. 1-80) bude obsahovat rozloženou nebo vnitřně neuspořádanou oblast na základě analýzy IUPred2A (Doplňkový obr. S5A). Tento neuspořádaný region (také znám jako 1-48) byl ve krystalové struktuře CRL4CRBN skutečně nerozeznatelný díky své flexibilitě (položka PDB; 6BN7). Bylo prokázáno, že vnitřně neuspořádané oblasti je jednou z hlavních složek proteasomal degron a působí jako iniciátor pro proteasomal proteolysis25. Alternativně, v případě globulární proteiny bez neuspořádané oblasti, p97/valosin-obsahující bílkoviny (p97/VCP) komplex se může rozvinout sekundární strukturu, která usnadňuje proteiny‘ proteasomal degradace. Zkoumat vztah mezi PROTAC-indukované degradaci proteinů a p97/VCP složité, jsme testovali vliv N2,N4-dibenzylquinazoline-2,4-diamin (DBeQ), p97/VCP inhibitor, na TD-165–indukované CRBN degradace. Tyto experimenty ukázaly, že degradace CRBN nebyla ovlivněna léčbou DBeQ (obr. 6A). Hladiny transkriptu 3 indukovatelného poškozením DNA (DDIT-3; CHOP) a lipidovaného LC-3II, používaného jako pozitivní kontrola, byly po léčbě DBeQ zvýšeny. Vyřazující p97 pomocí siRNA nebo DBeQ léčbu postižené ERAD a autofagie cest, což vede k upregulace KOTLETA, dobře zavedené UPR značku, a hromadění LC-3II, reprezentativní marker autofagie, respektive (Obr. 6A) 42. Proto, aby prošetřila, zda neuspořádané oblasti CRBN usnadňuje PROTAC vyvolané proteasomal degradace, jsme připojen neuspořádané oblasti (.a. 1-80) CRBN do D2, D3 a D4 mutanti a zkoumal chimerické proteiny pro degradaci. Všechny chimérické proteiny, zejména chiméra D4, byly degradovány TD-165 způsobem závislým na koncentraci (obr. 6B). Zavedení neuspořádané oblasti CRBN do n-nebo C-konce VHL však neindukovalo degradaci fúzního proteinu (obr. 6C), což naznačuje, že připojení neuspořádané oblasti není dostatečné pro všechny cílené proteiny. Rozšířit tuto myšlenku do rozkladu, vyvolané tím, že další PROTACs, testovali jsme ARCC4, dříve hlásil, androgenní receptor (AR) PROTAC43, protože AR také skýtá rozloženém region na N-konci (.a. 1-330), jak bylo stanoveno pomocí analytického nástroje IUPred2A (Doplňkový obr. S5B). Po ošetření ARCC4 byl AR bez N-terminální neuspořádané oblasti (ΔN330) degradován méně účinně než ar v plné délce. Zajímavé je, že připojení neuspořádané oblasti CRBN (a.a. 1-80) K AR ΔN330 zvýšilo účinnost degradace (obr. 6D a doplňkový obr. S5C). V souladu s tím, připevnění AR neuspořádané oblasti (.a. 1-170) CRBN D1 mutant také povýšen proteolýzy u TD-165 (Obr. 6E a doplňkový obr. S5D).
Pro další posílení těchto zjištění, jsme vybrali PROTACs s vysokou energií (DC50 < 1 µM) na základě literární rešerše, a pak analyzovány na vnitřně neuspořádané oblasti použití IUPred2A nástroj. Zajímavé je, že dvě třetiny z vybrané PROTAC cílené proteiny bylo zjištěno, že mají neuspořádaný region více než 40 aminokyselin, a to buď v jednom z jejich termini, nebo interně (Tabulka 1)44, i když aminokyselinové sekvence založené na predikci neuspořádané nebo nestrukturovaných oblastech nebere další faktory, jako je například protein-proteinové interakce nebo post-translační modifikace, do consideration44,45,46. V souladu s tím, bylo prokázáno, že VHL-Homo-PROTAC indukuje degradaci dlouhé formy VHL, který skrývá neuspořádanou oblast na svém n-konci, ale ne VHL krátká form47. To tedy podporuje naši myšlenku, že neuspořádaná oblast cílených proteinů je nutná pro účinnou degradaci Protacy.