小分子胶水或能停下“痛苦的舞步”

最近，复旦大学多学科团队合作，创造性地提出了基于自噬体结合化合物(ATTEC)的药物研发新概念，并通过基于复合芯片和尖端光学方法的筛选，巧妙地发现了特异性降低亨廷顿病致病蛋白的小分子化合物，有望为亨廷顿病的临床治疗带来新的曙光。10月31日，相关研究成果发表在《自然》杂志上。

亨廷顿舞蹈病(也称为亨廷顿舞蹈病)是四种主要的神经退行性疾病之一。其临床表现为肌肉不自主抽搐、认知障碍、精神异常等症状。由于引起疾病的突变亨廷顿蛋白(mHTT)的生物化学活性未知且不能靶向，因此依靠阻断剂阻断致病蛋白活性的传统方法不适用。

由于用封闭剂封闭或抑制致病蛋白的传统方法不可行，研究人员决定寻找另一种方法来利用自噬(一种细胞内蛋白降解途径)来有效降低突变亨廷顿蛋白的水平。

许多疾病都是由特定致病蛋白的积累引起的，这些致病蛋白的特异性降解可以从根本上干扰或治疗疾病，具有重要的科学和临床价值，可以给生物医学领域带来革命性的进步陆伯承告诉《中国科学日报》。

“小分子胶”有帮助

在自噬过程中，关键蛋白LC3经酯化后聚合扩增形成膜结构，降解靶标如蛋白质、脂类、细胞器等包裹在膜结构中形成完整的自噬体，包裹的物质与溶酶体融合后降解。

然而，自噬具有很强的降解功能。如果自噬功能增强且缺乏特异性，它将降解包裹在自噬体中的所有蛋白质。因此，负责神经保护的正常野生型亨廷顿蛋白和其他起重要作用的蛋白也容易被“误食”。

如何在排除野生型亨廷顿蛋白的同时，将致病蛋白特异性结合到自噬体中？复旦大学生命科学学院的陆伯成、丁颖研究团队和信息科学与工程系的费研究团队发明了一种小分子结合化合物ATTEC。

这种“小分子胶”可以直接瞄准目标中心，将LC3和致病蛋白(或其他致病物质)牢固地粘在一起，然后将致病蛋白包裹在自噬体中进行降解。同时，“小分子胶”不粘附野生型亨廷顿蛋白，使其安全可靠。经过筛选、纯化和一系列细胞实验，研究人员获得了4种符合要求的理想化合物。

为了验证这种“胶水”能否应用于动物细胞和人类细胞，并通过服用达到预期效果，研究人员进行了实验验证。

结果表明，四种化合物能显著降低小鼠神经元、亨廷顿病患者细胞和亨廷顿病果蝇模型中突变亨廷顿蛋白的水平，但对野生型亨廷顿蛋白的水平影响不大，且起始浓度为纳摩尔水平。

“这四种化合物中至少有两种能够穿过血脑屏障，通过低剂量腹膜内给药，直接降低亨廷顿病小鼠大脑皮质和纹状体中突变亨廷顿蛋白的水平，而不影响脑组织中野生型亨廷顿蛋白的水平，改善与疾病相关的表型，并为亨廷顿病口服或注射药物的研发提供切入点。”卢伯承说。

跨学科研究的高通量筛选

事实上，这种“小分子胶水”不容易找到。

卢伯承提到，如果一个接一个地分析成千上万个化合物，找出几个符合理想性状的目标分子，无疑是大海捞针，这曾经是项目研究道路上的一大障碍。

费研究团队的加入为“小分子胶”的发现带来了新的可能性。该团队基于小分子芯片和无标记斜入射光反射差技术开发了一个新的高通量药物筛选平台，可以快速、灵敏和无标记地从成千上万个小分子化合物中发现与靶蛋白结合的小分子。

研究人员在芯片上发现了近4000种小分子化合物。当目标蛋白质流动时，如果它能与固定在芯片上的特定小分子结合，该位置的分子层厚度将增加，并且这种微小的变化可以通过光学方法(斜入射光反射差技术)灵敏地检测到。

利用这种新的药物筛选方法，研究人员发现了两种小分子，它们可以结合LC3蛋白和突变亨廷顿蛋白，但不能结合野生型亨廷顿蛋白。通过对具有相似结构的小分子化合物的检测，四种“小分子胶”最终“出现”。

开创药物研发新概念

为什么这些小分子化合物能区分突变型亨廷顿蛋白和野生型亨廷顿蛋白？这个队决定打破常规，提出要求。

研究人员称，突变亨廷顿蛋白的结构与正常蛋白基本相同。唯一的区别是突变蛋白含有过量的谷氨酰胺重复序列(polyQ)。这些化合物之所以能够“区分忠诚和背叛”，是因为它们能够选择性地结合到突变亨廷顿蛋白特有的过长的polyQ区域，并根据这一特征区分两者。

基于这一特征，研究人员意识到这些小分子化合物的应用可能远远超出亨廷顿氏病。

「目前，已知有九种聚合酵素疾病是由含有超长聚合酵素的特定突变蛋白所引致。一个例子是脊髓小脑性共济失调三型疾病，它是中国人群中发病率最高的多动症。其临床表现为运动障碍、无法维持身体姿势和平衡等丁莹提到过。

研究人员对复旦大学附属华山医院教授孙博士提供的三型共济失调患者的细胞进行了检测，发现这些化合物能有效降低引起疾病的变异蛋白水平(聚合酶长度为74)，而不影响野生型蛋白水平(聚合酶长度为27)。

“这些化合物不仅可以有效治疗亨廷顿氏病，还可以应用于其他多种疾病。同样，自噬体结合化合物的新药开发概念也有望应用于其他不能靶向的致病蛋白，甚至非蛋白致病物质。”卢伯承说。

美国科学院院士、神经退行性疾病领域的著名科学家胡达·佐格比(Huda Zoghbi)认为，这项研究已经实现了“科学家们长期以来一直在寻找的策略”。她在评论中说，该研究获得了令人鼓舞的证据，证明化合物可以在跨物种模型中保存疾病表型，“这种治疗策略不仅对亨廷顿氏病有效，对其他多克氏病也有效。”

ATTEC靶向降解mHTT蛋白示意图。资料来源:卢伯承等。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1722-1