Nature突破：新技术TRAM来了，或变革药物研发|受体|活性|细胞质|药物研发|蛋白|配体

细胞内的生物调节网络将不同的蛋白质引导到适当的细胞区室。蛋白质定位失调是包括癌症、神经系统疾病在内的多种疾病的基础。

9月18日，来自斯坦福大学的一个科学家团队在Nature杂志报道了一种被称为TRAM的小分子，这种新技术能够通过促进与“穿梭”蛋白的相互作用来重新定位错位的蛋白质。

传统的小分子药物通过与靶蛋白相互作用以改变其活性。然而，许多与治疗相关的蛋白质的活性无法用与其简单结合的小分子来调节。过去几年，许多研究人员专注于研究能够让这类靶蛋白与另一种生物分子“靠近”的小分子药物。先前报道的PROTAC、、技术均属于这类小分子。

在这项新研究中，科学家们开发了一种被称为靶向重定位激活分子(targeted relocalization activating molecules, TRAMs)的化合物，它们能够改变靶蛋白的亚细胞定位。TRAM是双功能分子，其中一个配体与靶蛋白相互作用，另一个与穿梭蛋白相互作用。

双功能分子促进蛋白质的再定位。Christine S. C. Ng等科学家开发了一种小分子，一端结合一种叫做FKBP12 F36V 的蛋白，另一端与细胞质或细胞核中天然的或工程改造的穿梭蛋白结合。当FKBP12 F36V 与一种靶蛋白融合时，双功能小分子同时与穿梭蛋白和FKBP12 F36V 标记的靶蛋白结合。然后，穿梭蛋白带领靶蛋白在细胞区室移动。研究者们认为，这种方法适用于一系列穿梭蛋白和靶点，可用于重新定位细胞中错位的蛋白质。

具体来说，Christine S. C. Ng及其同事的研究起点是一种双功能分子，该分子先前用于将两种蛋白质(ecDHFR和FKBP12 F36V )靠近。为了将该分子用于开发靶向重定位激活分子(TRAM)，科学家们通过连接一段核输出序列(NES，一个短的氨基酸序列，可以使蛋白质从细胞核输出到细胞质中)将ecDHFR转化为穿梭蛋白，并添加荧光标记进行检测。TRAM的靶蛋白是NMNAT1，这是一种含有单个核定位序列(一种标记蛋白质输入细胞核的氨基酸序列)的蛋白质。研究人员将NMNAT1与FKBP12 F36V 融合，使产生的蛋白能够被TRAM识别，并附加不同的荧光标记进行检测。

a.TRAM调节重定位；b.结合EcDHFR和FK BP12F36V 的双功能分子

然后，研究人员使用双功能小分子将两种工程蛋白靠近，并监测由此产生的穿梭蛋白-靶蛋白复合物（shuttle–target complex）进出单个细胞细胞核的情况。他们用显微镜观察荧光标志物，以量化每种蛋白质在细胞核和细胞质中的含量。实验表明，携带单个NES的穿梭蛋白足以将靶蛋白从细胞核输出到细胞质。这表明可以通过使用双功能小分子和穿梭蛋白来克服靶蛋白的定位信号。

由于ecDHFR是一种细菌蛋白，科学家们接下来研究了哺乳动物穿梭蛋白是否可以用于重新定位靶蛋白。他们选择研究两种哺乳动物核蛋白（激素受体）作为潜在的“穿梭体”，因为这两种蛋白的小分子配体已经被鉴定出来，且能够导致这些受体从细胞质进入细胞核。

研究显示，当科学家们将这些小分子配体（与其中任一种激素受体结合）应用到TRAM中时，他们观察到以FKBP12 F36V 标记的各种靶蛋白可以不同程度地导入细胞核。有趣的是，蛋白质的定位可能是双向的——从细胞质到细胞核，或者相反——这取决于穿梭蛋白和靶蛋白的配对。输出和输入的数量也取决于细胞内穿梭蛋白和靶蛋白的相对水平。

靶向重定位可以将突变蛋白移动到细胞核中

接着，科学家们开始研究以突变FUS蛋白作为靶点的情况。FUS突变体与神经退行性疾病运动神经元病（ALS）密切相关，并且已知从细胞核错定位到细胞质。令人兴奋的是，研究者们发现，他们的TRAM在体外人类细胞中将带有FKBP12F36V标记的突变FUS从细胞质转移到了细胞核。这导致细胞中应激颗粒（ALS细胞质结构特征）数量减少，表明突变FUS重定位可能具有治疗作用。

尽管研究结果表明核激素受体可以是有效的穿梭蛋白，但这些受体在非工程改造的细胞中低表达可能会阻碍它们的广泛应用。为了解决这个问题，Ng等人鉴定出了两种可以作为“穿梭体”的高表达蛋白：核输出蛋白METAP2、核输入蛋白PARP1。利用先前报道的METAP2和PARP1的小分子配体，研究人员开发了TRAM，结合这两种蛋白中的一种和FKBP12 F36V 。然后，他们利用基因编辑技术构建了表达靶蛋白-FKBP12 F36V 融合体的细胞，并证明，TRAM可与穿梭蛋白结合以改变被标记的靶蛋白的定位。

NMNAT1的靶向重新定位可以防止轴突损伤。

最后，研究证明，TRAM可以在体外使用，将一种工程改造的神经保护蛋白从小鼠神经元的细胞核输出到神经元的轴突突起。这增加了蛋白质的保护特性，促进了损伤后轴突的恢复。

总结来说，该研究鉴定出了一系列具有强效配体的穿梭蛋白（shuttle protein），这些配体被用于开发TRAM技术后能够重新定位内源性蛋白。这一突破有望为癌症、神经退行性疾病等疾病带来全新的治疗策略。

挑战方面，未来的研究需要调查，能否找到位于细胞其他部位（如细胞膜、线粒体等细胞器）穿梭蛋白的配体。此外，也需要开发结合FKBP12 F36V 以外的靶蛋白配体，以证明TRAM能够重定位广泛的靶点。另一个问题是，TRAM比典型的小分子疗法更大，这意味着它们的物理和化学性质对于药理活性来说往往不是最佳的。不过，这可能不是一个“大问题”，因为类似的双功能分子正在临床中推进。

参考资料：

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-024-07950-8

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-024-02802-x#ref-CR5

[3] https://chemistry.stanford.edu/news/bringing-lost-proteins-back-home