2004年，诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙切哈诺沃、阿夫拉姆赫什科和美国科学家欧文罗斯，以表彰他们发现了泛素调控的蛋白质降解过程。他们的研究表明，生物凭借其独特的智慧，利用细胞中一种叫做E3连接酶的蛋白质来识别体内的有害蛋白质，并将多肽“泛素”标记为需要降解的蛋白质。带有泛素标签的蛋白质会被细胞内的蛋白酶体识别降解，实现细胞内有害蛋白质的精准降解。
药物化学家将这种蛋白质降解机制应用于小分子药物的设计，创造性地提出了一种蛋白质靶向降解的技术：PROTAC(蛋白水解靶向嵌合体)，即蛋白质降解靶向嵌合体。这种蛋白降解剂一般由三部分组成：E3连接酶的配体，待降解蛋白的配体，连接两个配体的接头。这种蛋白降解剂会分别与E3连接酶和靶向蛋白反应，最终形成由E3连接酶、蛋白降解剂和靶向蛋白组成的三元复合物。然后复合物中的E3连接酶将泛素分子标记到目标蛋白上，这可以导致目标蛋白被蛋白酶体降解。
PROTAC技术已广泛应用于各种目标蛋白的降解。由Arvinas开发的AVS-110和AVS-378已进入临床研究，用于治疗对雄激素限制治疗耐药的转移性前列腺癌和乳腺癌。PROTAC与蛋白质小分子抑制剂的最大区别在于，PROTAC在目标蛋白质降解后可以回收利用，因此PROTAC具有“催化”性能，即一个PROTAC分子可以降解几个或几十个目标蛋白质分子。但如果PROTAC无限降解目标蛋白，或者降解正常细胞中的有用蛋白，有时会带来严重的问题。因此，开发功能可控的PROTAC分子极其重要。如果在PROTAC分子上安装一个“开关”，就可以控制它在需要的组织中发挥蛋白质降解的作用，比如选择性降解癌细胞中的蛋白质，而不影响正常细胞中的蛋白质。
遵循这一研究思路，美国西奈山伊坎医学院金健教授研究组和哈佛医学院魏教授研究组合作，在PROTAC分子上连接一个光敏基团，利用紫外光实现了PROTAC功能的可控调节。他们称这项技术为“opto-PROTAC”。相关结果发表在科学进展的子公司《科学》。
图片来源：参考文献[1]
金健教授(左)和魏文怡教授(右)(来源：官网，西奈山伊坎医学院/官网，哈佛医学院)
作为一项概念验证研究，对E3连接酶CRBN的配体pomalidomide进行了修饰，以研究其光敏性。然后，研究了两种基于pomadoamine的光保护剂opto-dBET1和opto-dALK的光敏活性。
opto-PROTAC的概念图(来源：参考文献[1])
泊马度胺是一种常用的免疫调节剂，可作为所谓的“分子胶”将IKZF1/3蛋白与CRBN连接起来，通过IKZF1/3蛋白的泛素化作用介导其降解。单晶结构表明pomadoamine分子中的谷酰胺的NH基团和CRBN蛋白中的His380残基之间的相互作用是至关重要的。NH基团被NVOC基团屏蔽，合成的opto-pomalidomide不能与CRBN结合，从而抑制了IKZF1/3蛋白的降解。在紫外线UVA的照射下，opto-pomalidomide将失去NVOC基团并释放出pomalidomide分子。此时，研究人员观察到了IKZF1/3蛋白的泛素化和随后的降解。
(A)opto-pomalidomide在UVA照射下释放活性pomalidomide；(B)B)opto-pomalidomide在UVA照射下的化学反应(来源：参考文献[1])
先前的研究表明，dBET1和dALK可以分别有效地介导BRD蛋白和ALK蛋白的降解。在类似的思路下，作者将NVOC光敏基团引入到两个分子中，合成了相应的opto-PROTAC，即opto-dBET1和opto-dALK。
opto-dBET1和opto-dALK的分子结构(来源：参考文献[1])
基于蛋白质降解的蛋白质印迹实验和基于细胞的细胞活力实验均表明，在UVA照射下，这两种opto-PROTAC与相应的PROTAC具有相同的活性，并有效降解相应的蛋白质。更重要的是，在黑暗中，这两种光蛋白即使在高浓度下也失去了降解蛋白的活性，表明光与否充当了调节蛋白降解活性的开关。
作为一项概念验证研究，作者成功地实现了opto-pomalidomide和两种opto-PROTAC在紫外光诱导下的蛋白质可控降解。由于紫外光对组织的穿透力较弱，容易导致DNA分子损伤，作者建议可以进一步发展基于近红外光对组织穿透力强，能量较弱的光保护技术。
参考数据
[1]刘婧等，(2020)。光诱导控制蛋白质的破坏。Sci。Adv .DOI: 10.1126/