基于泛素E3连接酶Keap1发现靶向诱导tau蛋白降解缀合物及其阿尔兹海默症的治疗应用探索

Induced protein degradation by PROTACs (Proteolysis Targeting Chimeras) is an emerging way to target non-enzymic targets. PROTACs can selectively ubiquitinate interest proteins, leading to subsequent proteasome-mediated degradation. In this project, we focus on the two main hurdles in the research of PROTACs: the discovery of available E3 ligase and the design methods of PROTACs for specific E3 ligase. We plan to explore the possibility of ubiquitin E3 ligase Keap1 in design of PROTACs and discover Keap1-based PROTACs to degrade tau. The Keap1 ligand and tau ligand information will be incorporated into the design of PROTACs, and the synthesized PROTACs will be texted for the binding affinity with E3 ligase Keap1 and protein of interest tau, the induced tau degradation effects and the detailed tau downregulation mechanism. The optimized PROTACs will be further investigated in the cellular and in vivo models of Alzheimer's disease to explore the therapeutic applications of induced tau degradation.

靶向诱导蛋白质降解是调控细胞内非酶蛋白的重要方法。靶向诱导蛋白降解缀合物借助泛素E3连接酶实现对特定蛋白的泛素化并降解，直接下调细胞内特定蛋白含量。本研究围绕靶向诱导蛋白降解缀合物研究中的两个难点问题：如何发现可用于该系统的泛素E3连接酶和如何基于泛素E3连接酶设计靶向诱导蛋白降解缀合物，针对前期已深入研究的泛素化E3连接酶Keap1开展工作，主要目标是基于Keap1设计和发现靶向诱导tau蛋白降解缀合物。主要思路是通过分析较强的Keap1结合配体和tau蛋白识别配体的结构特征，设计并合成合理组装的具有双功能单元可诱导tau蛋白降解的缀合物，进而对所设计合成得到的缀合物进行E3连接酶结合、目的蛋白结合、目的蛋白泛素化和降解等多层次评价，阐明该缀合物通过E3泛素连接酶Keap1对tau蛋白进行泛素化并诱导降解的机制，并探索此类化合物在体外和体内的阿尔兹海默病模型中的治疗效果。

靶向诱导蛋白质降解是调控细胞内非酶蛋白的重要方法。本项目主要利用靶向诱导蛋白降解缀合物技术，通过开发PROTAC分子，实现tau蛋白的特异性降解，从而探索化学分子介导tau降解在阿尔兹海默症等神经退行性疾病中的治疗作用。本研究主要探索解决了靶向诱导蛋白降解缀合物研究中的两个难点问题：如何发现可用于该系统的泛素E3连接酶和如何基于泛素E3连接酶设计靶向诱导蛋白降解缀合物。项目针对前期已深入研究的泛素化E3连接酶Keap1，通过总结和分析Keap1结合配体的结构特征，选择了合适的Keap1配体和连接官能团用于构建PROTAC分子。同时我们选取了多种tau蛋白识别配体用于筛选和合理组装的具有双功能单元可诱导tau蛋白降解的分子。我们首先通过多肽配体进行降解可行性探索，通过优势Keap1多肽配体和tau配体的组合进行筛选，发现了能有效降解tau蛋白的多肽PROTAC，确认了概念可行性。进而我们通过利用小分子配体对多肽PROTAC的相应部分进行替换，获得小分子PROTAC苗头物，并通过SAR分析进行了结构优化。结构优化后的PROTAC分子能实现对tau蛋白的泛素依赖性的降解，同时还能有效的激活Keap1的重要底物蛋白Nrf2。本项目相关研究说明获得的PROTAC分子具有双效性的特点。进一步的我们对优化后的PROTAC进行E3连接酶结合、目的蛋白结合、目的蛋白泛素化和降解等多层次评价，阐明该缀合物通过E3泛素连接酶Keap1对tau蛋白进行泛素化并诱导降解的机制，并初步探索此类化合物在阿尔兹海默病模型中的治疗效果。同时，本项目考虑阿尔兹海默病治疗药物的需要的BBB渗透性，我们还对相应分子进行了前药修饰探索。我们成功的发现基于活性氧掩蔽羧酸官能团的前药研究策略可以有效改善E3连接酶Keap1配体的类药性质。通过对大极性的Keap1配体部分的前药修饰，解决化合物渗透性低、极性大的问题，从而提升PROTAC分子的类药性质和BBB渗透性。该部分的研究进一步提升了此类PROTAC分子的成药开发前景，为基于此策略开发阿尔兹海默症治疗药物打下了坚实的基础。