단백질 분해 표적 키메라(PROTACS)에 의해 유도된 삼원 복합체 형성을 평가하기 위한 생물물리학 분석법의 개발 및 적용

요약

여기서는 유비퀴틴 리가아제, Von Hippel-Lindau E3 리가아제(VHL) 및 세레블론(CRBN)을 포함하는 단백질 분해 표적 키메라(PROTACS)에 의해 유도된 삼원 복합체 형성의 생물물리학적 특성 분석을 위한 프로토콜을 설명합니다. 본원에 예시된 생물물리학적 방법에는 표면 플라즈몬 공명(SPR), 생체층 간섭계(BLI) 및 등온 적정 열량측정법(ITC)이 포함된다.

초록

분해를 표적으로 하는 E3 리가아제와 단백질은 다단계 공정에서 이종 이작용 분자에 의해 복합체를 형성하도록 유도될 수 있습니다. 관련된 상호 작용의 역학 및 열역학은 유비퀴틴화의 효율성과 결과적으로 단백질의 분해에 기여합니다. 표면 플라즈몬 공명(SPR), 생체층 간섭계(BLI) 및 등온 적정 열량계(ITC)와 같은 생물물리학 기술은 이러한 상호 작용의 최적화에 사용할 수 있는 귀중한 정보를 제공합니다. 두 가지 모델 시스템을 사용하여 삼원 복합체 형성의 협력성과 결합 역학에 대한 '후크 효과'의 영향을 이해하기 위한 생물물리학 분석 도구 키트를 확립했습니다. 한 사례에서, Brd4^BD2와 VHL 사이의 삼원 복합체 형성을 유도하는 단백질 분해 표적 키메라(PROTAC) 분자를 평가하였다. 이종 이작용 분자 MZ1은 Brd4^BD2 단백질(SPR KD = 1nM, ITC K D = 4nM)과 VHL 복합체(SPR_{KD =} 29nM, ITC K _D = 66nM) 모두에 대해 nM 친화도를 갖습니다. 이 시스템을 위해 삼원 복합체 형성의 협력성을 입증하는 발표된 결과를 재현하는 강력한 SPR, BLI 및 ITC 분석이 개발되었습니다. 다른 경우에는 46.0kDa 단백질, PPM1D 및 세레블론[CRBN(319-442)] 사이의 삼원 복합체를 유도하는 분자를 연구했습니다. 이종 이작용 분자인 BRD-5110은 PPM1D에 대해 SPR K_D = 1nM이지만 잘린 CRBN(319-442) 복합체(SPR K_D= ~ 3μM)에 대한 결합은 훨씬 약합니다. 이 경우 SPR에서 CRBN에 대한 바인딩이 포화 상태가 아니므로 "후크 효과"가 발생했습니다. SPR, BLI 및 ITC에 대한 처리량 및 시약 요구 사항을 평가하고 PROTAC 프로젝트에 적용하기 위한 일반적인 권장 사항을 제공했습니다.

서문

세포 내 단백질의 폴리유비퀴틴화는 유비퀴틴 리가아제 계열의 효소를 포함하는 엄격하게 조절되는 과정입니다 ^1,2. 이 경로의 말단 효소는 유비퀴틴 분자를 단백질 결합 파트너에 공유 결합하는 E3 유비퀴틴 리가아제(ubiquitin ligase)이다³. 이러한 단백질 결합 파트너의 폴리유비퀴틴화는 프로테아좀⁴에 의한 단백질 분해를 표적으로 합니다. 이 시스템은 질병에 관여하는 단백질의 분해를 유도하기 위해 치료적으로 활용된 단백질 항상성 과정의 일부이다⁵. Von Hippel-Lindau E3 리가아제(VHL) 또는 세레블론(CRBN)과 같은 E3 유비퀴틴 리가아제 간의 상호작용을 유도하는 소분자는 일반적으로 분해 표적이 되는 단백질에 결합하는 탄두에 유연한 링커에 의해 연결된 E3 리가아제 결합 탄두로 구성됩니다. 이러한 이종이기능성 분자는 일반적으로 키메라 또는 PROTACS⁶를 표적으로 하는 단백질 분해라고 합니다.

PROTACS의 개발에는 세포 내 단백질의 분해를 유....

프로토콜

모든 단백질은 문헌 프로토콜¹⁸에 따라 우수한 수율과 순도(>80%)로 대장균에서 과발현되었습니다. 비오틴화는 BirA-촉매 반응¹⁸을 사용하여 수행하였다. 모든 저분자는 100% DMSO에서 1mM 원액으로 준비되었습니다. 여기에 설명된 절차에는 특수 실험실 안전 장비나 예방 조치가 필요하지 않습니다. 표준 실험실 개인 보호 장비(PPE)를 사용해야 합니다(예: 실험실 가운, 보안경 및 장갑).

이 연구에 적용된 단백질은 다음과 같습니다.
VHL: ElonginB의 C-말단에 Avi-tag가 있는 비오틴화된 VHL(53-213)/ElonginB(1-104)/ElonginC(17-112) 복합체.
Brd4^BD2: 태그가 지정되지 않은 Brd4^BD2(333-460)
CRBN: N 말단에 Avi-tag가 있는 비오틴화된 CRBN(319-442)
PPM1D: N 말단에서 태그가 지정되지 않은 이중 또는 이중 His8 태그가 지정된 PPM1D(1-420)

이 연구에 적용된 소분자는 다음과 같습니다.
MZ1 (MW = 1002.6 Da)....

토론

PROTAC 분자와 단백질 결합 파트너 간의 이원 및 삼원 상호 작용에 대한 생물물리학적 특성 분석은 널리 사용되는 세포 시스템과 관련하여 독특하고 보완적인 통찰력을 제공할 수 있습니다. PROTAC 분자의 각 탄두와 단백질 결합 파트너 간의 친화도를 이해하면 이러한 상호 작용을 최적화하기 위한 의약 화학 노력을 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이전에 발표된 삼원 PROTAC 복합체의 결정 구조는.......

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
96-plate	Greiner	655076	flat-bottom, black plates used In BLI experiments
96-well plate	Nunc	73520-120	Plate use for ITC sample preparation
96-well plate	Greiner	650101	Plate used to prepare samples for SPR experiments
Auto iTC200 micro-calorimeter	Malvern Panalytical		Instrument used to perform ITC experiments. Product discontinued.
Biacore S200	Cytiva	29136649	Instrument used to perform SPR experiments
MZ1	ProbeChem	PC-60099	PROTAC that binds to VHL and Brd4BD2
NTA sensor chip	Cytiva	BR100532	SPR chip used to perform SPR experiments involving PPM1D
Octet Red-384	Sartorius		Instrument used to perform BLI experiments. Product discontinued.
Plate cover	Malvern	PQA0001	Cover for Nunc 96-well plate (73520-120)
Plate cover	Cytiva	28975816	Plate cover for Greiner plate (650101)
Series S SA sensor chip	Cytiva	BR100531	SPR chip used to perform SPR experiments involving MZ1:VHL:BRD4
Streptavidin (SA) Dip and Read Biosensors	Sartorius	18-509	Coated sensors used in BLI experiments