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ChemBioChem:利用DNA修復酶靶向蛋白質降解2022-09-15
通過化學控制蛋白降解來調控蛋白表達水平,是研究蛋白質功能的新興技術。它們依賴于小分子與特定設計的蛋白質結構域的選擇性結合,來穩定或者降解靶蛋白,從而實現對蛋白質濃度的控制。美國加州大學爾灣分校的Robert C. Spitale教授課題組探究了DNA去甲基酶在靶向蛋白質降解中的應用。新型芐基鳥嘌呤底物具有控制細胞中蛋白質降解的能力,該研究證明了這種方法在活細胞內降解不同位置融合蛋白方面的效用。

首先,作者從O6-烷基鳥嘌呤-DNA-烷基轉移酶(hAGT)出發,對配體-蛋白復合物進行設計。hAGT是一種DNA修復蛋白,通過將烷基化DNA鏈上鳥嘌呤O6-位的烷基轉移至自身活性中心的半胱氨酸上,來行使DNA修復功能。hAGT一旦烷基化,就會發生構象變化,失活后的hAGT蛋白會被泛素化并隨后被蛋白酶體降解。先前,研究人員通過對hAGT進行突變改造,獲得了SNAP-tag蛋白,它不與DNA鏈上的鳥嘌呤進行反應,但與小分子O6-芐基鳥嘌呤(BG)衍生物的親和力極大地提高。SNAP-tag通常與靶蛋白(POI)融合,以使用基于BG的配體進行標記和純化。SNAP-tag技術致力于創造穩定的蛋白質復合物,識別用于蛋白質烷基化的BG衍生物,而不會伴隨降解。

為了同時實現選擇性、有效的烷基化和誘導降解,作者推斷hAGT的另一種變體GEAGT將是測試融合蛋白降解的最佳起點。GEAGT蛋白保留了SNAP-tag選擇性結合BG的能力,同時在與BG結合后不穩定。因此,在設計嵌合分子時,需要一個O6-芐基鳥嘌呤(BG)在一端用于GEAGT結合,另一端需要一個疏水部分(如金剛烷基),或特定的E3連接酶招募配體(如沙利度胺)(圖1a)。用于連接兩者之間的接頭部分及招募配體的類型需要進一步確定。為此,作者合成了4種配體,包含BG(GEAGT-recruiting)、金剛烷基或沙利度胺單元(圖1b)。

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圖1. 利用GEAGT進行配體誘導的蛋白質降解。

在確定了4種配體都能夠與GEAGT中的活性位點結合之后,作者探究了配體結合后是否能夠增加蛋白質降解。為此,作者構建了穩定表達核定位GEAGT-mNeonGreen融合蛋白的細胞系,并在一定濃度范圍內培養該細胞24 h后,通過流式細胞儀對mNeonGreen熒光進行量化(圖2a)。如圖2b所示,具有較短PEG接頭的金剛烷基化合物(BG-PEG1-Ad)使mNeonGreen熒光降低得最顯著。即使在最低測試濃度(1 μM)下,熒光強度也約為BG對照組的20?%。而含沙利度胺的化合物對GEAGT-mNeonGreen融合構建體的降解有限。與流式結果一致,mNeonGreen蛋白質印跡的結果也顯示,與BG-PEG1-Ad的孵育導致蛋白質降解最多(圖2c)。

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圖2. 測試各種BG配體的蛋白降解效果。

接下來,作者探究了BG-PEG1-Ad配體對一系列細胞定位融合蛋白的降解效果。為此,作者分別克隆了細胞核定位序列(NLS)、細胞質定位序列(NES)、膜結合(N-末端肉豆蔻酰化(Myr)、C-末端法尼基化(CAAX))和跨膜(CD8)的融合蛋白。在每個構建體穩定轉染后,將細胞與BG-PEG1-Ad一起培養24 h。蛋白質印跡的結果顯示,每種構建體的蛋白量都顯著降低,這與顯微鏡觀察到的熒光減少一致(圖3a)。隨后,作者通過細胞成像觀察到,目標蛋白既符合預期定位,又降低了相應的表達水平(圖3b)。總體而言,這些數據證明了配體-蛋白復合物BG-PEG1-Ad-GEAGT在靶向蛋白質降解方面的靈活性,以及將GEAGT蛋白與細胞不同部位的POI融合以有效降低蛋白質豐度的靈活性。

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圖3. 細胞不同位置融合蛋白的降解。

總的來說,該研究介紹了一種新型配體-蛋白復合物,與PROTAC/Halo-PROTAC系統一致,可用于靶向蛋白質降解。此外,GEAGT與具有亞細胞定位的蛋白質的融合,導致了預期位置蛋白質表達水平明顯降低,因此,預計該方法可應用于多種蛋白質的降解。

文信息

Repurposing a DNA-Repair Enzyme for Targeted Protein Degradation

Callie Fredlender, Samantha Levine, Jan Zimak, Prof. Robert C. Spitale

ChemBioChem

DOI:?10.1002/cbic.202200053

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