キメラを標的としたタンパク質分解による三元複合体形成評価のための生物物理学的アッセイの開発と応用(PROTACS)
Summary
ここでは、ユビキチンリガーゼVon Hippel-Lindau E3リガーゼ(VHL)およびセレブロン(CRBN)を含むキメラ(PROTACS)を標的とするタンパク質分解によって誘導される三元複合体形成の生物物理学的特性評価のためのプロトコルについて説明します。 本明細書に例示される生物物理学的方法には、表面プラズモン共鳴(SPR)、生物層干渉法(BLI)、および等温滴定熱量測定(ITC)が含まれる。
Abstract
分解を標的とするE3リガーゼおよびタンパク質は、多段階プロセスにおいて、ヘテロ二官能性分子によって複合体を形成するように誘導することができる。関与する相互作用の速度論と熱力学は、ユビキチン化の効率とその結果生じるタンパク質の分解に寄与します。表面プラズモン共鳴(SPR)、バイオレイヤー干渉法(BLI)、等温滴定カロリメトリー(ITC)などの生物物理学的手法は、これらの相互作用の最適化に使用できる貴重な情報を提供します。2つのモデルシステムを用いて、三元複合体形成の協同性と結合速度論に対する「フック効果」の影響を理解するための生物物理学的アッセイツールキットを確立しました。1つの症例では、Brd4BD2とVHLの間の三元複合体形成を誘導するキメラを標的とするタンパク質分解(PROTAC)分子が評価されました。ヘテロ二官能性分子であるMZ1は、Brd4BD2タンパク質(SPR K D = 1 nM、ITC K D = 4 nM)とVHL複合体(SPR K D = 29 nM、ITC K D = 66 nM)の両方にnM親和性を持っています。このシステムでは、三元複合体形成の協同性を実証する発表された結果を再現した堅牢なSPR、BLI、およびITCアッセイが開発されました。もう一つは、46.0kDaのタンパク質PPM1Dとセレブロン[CRBN(319-442)]の間に三元複合体を誘導する分子を研究した。ヘテロ二官能性分子であるBRD-5110は、PPM1DのSPR KD = 1 nMを有するが、切断型CRBN(319-442)複合体に対する結合ははるかに弱い(SPR KD=~3 μM)。その場合、SPRにおけるCRBNの結合は飽和しておらず、「フック効果」が生じました。SPR、BLI、およびITCのスループットと試薬の要件が評価され、PROTACプロジェクトへの適用に関する一般的な推奨事項が提供されました。
Introduction
細胞内のタンパク質のポリユビキチン化は、ユビキチンリガーゼファミリーの酵素が関与する厳密に制御されたプロセスです1,2。経路の末端酵素は、ユビキチン分子をタンパク質結合パートナーに共有結合させるE3ユビキチンリガーゼである3。これらのタンパク質結合パートナーのポリユビキチン化は、プロテアソームによるタンパク質分解の標的となります4。このシステムは、疾患に関与するタンパク質の分解を誘導するために治療的に活用されているタンパク質の恒常性維持プロセスの一部です5。フォン・ヒッペル・リンダウE3リガーゼ(VHL)やセレブロン(CRBN)などのE3ユビキチンリガーゼ間の相互作用を誘導する低分子は、典型的には、分解の標的となるタンパク質に結合する弾頭に柔軟なリンカーによって接続されたE3リガーゼ結合弾頭から構成される。これらのヘテロ二官能性分子は、一般にキメラを標的とするタンパク質分解またはPROTACS6と呼ばれています。
PROTACSの開発には、細胞内のタンパク質の分解を誘導する分子の能力を評価することが含まれます。細胞をPROTAC分子で処理した際に、標的タンパク質とVHLやCRBNなどのE3リガーゼ成分との間の誘導相互作用をモニターする多くの細胞アッセイシステムが開発されています。そのような細胞アッセイの1つであるnanoluc−Halotagシステム7は、Halotagアクセプターに融合したE3リガーゼと、nanolucドナーでタグ付けされた標的タンパク質を含む。三元複合体の形成により、ナノルクドナーとハロタグアクセプターが近接し、ドナーからアクセプターへのエネルギーの伝達が可能になり、光が放出されます。このシステムのバリエーションは、PROTACS分子の細胞透過性8、または標的タンパク質のユビキチン化の相対レベルの変化9を評価するために使用できます。これらの細胞系はPROTACSの最適化を推進するために不可欠であるが、E3リガーゼと分解を標的とするタンパク質との間の複合体の形成は多段階のプロセスである10,11。関与する二元相互作用と三元相互作用の速度論と熱力学は、効率、ユビキチン化、および結果として生じるタンパク質の分解に寄与します12,13,14。
本明細書には、表面プラズモン共鳴(SPR)、生物層干渉法(BLI)、および等温滴定熱量測定(ITC)を用いて、PROTACSによって誘導される三元複合体形成の生物物理学的特性評価に適合させることができるプロトコルが記載されている。文献レポート13,15から派生し、ここで説明されているBrd4BD2とVHLの間の三元複合体形成を誘導するMZ1 PROTAC分子のSPRおよびITCプロトコルは、報告された手順をいくらか修正して報告された結果を要約することができました。このレポートには、MZI、Brd4BD2、およびVHL間の三元複合体形成を評価するために使用されるBLIアッセイの説明が含まれています。BLIからの親和性測定は、SPRおよびITCで観察されたものと一致していました。発現がp53依存的に誘導されるSer/ThrプロテインホスファターゼであるPPM1DとCRBNの間のPROTAC誘発三元複合体形成を評価するためにSPRアッセイが開発された以前に発表されたプロトコルも記載されています。この場合、PROTAC分子はPPM1Dに対してはナノモル親和性を有するが、CRBNに対してはマイクロモル親和性のみを有する。この場合、PROTAC分子のCRBNへの結合は飽和せず、一般的に観察される「フック効果」が生じます。フック効果は、3つのボディシステムの特性であり、2つの種が架橋分子に結合すると、ヘテロ三量体複合体を形成できます(図1)17。フック効果は、架橋種が他の2つの種に比べて過剰に集中している場合に観察されます。結果として得られる状態は、二項相互作用が三元相互作用を凌駕する状態です。フック効果が観察されるシステムには、このレポートで説明する特定の実験計画上の考慮事項が必要です。PROTAC誘発三元複合体形成の評価のための生物物理学的アッセイの利用を評価するための一般的な概念と試薬要件が提供されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
PROTAC分子とそのタンパク質結合パートナー間の二元的および三元的相互作用の生物物理学的特性評価は、広く使用されている細胞システムに関してユニークで補完的な洞察を提供することができます。PROTAC分子の各弾頭とそのタンパク質結合パートナーとの間の親和性を理解することは、これらの相互作用の最適化に向けた創薬化学の取り組みの指針となります。以前に発表された三元系PROT…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、マサチューセッツ工科大学(MIT)とハーバード大学のブロード研究所の治療薬開発センター(Center for the Development of Therapeutics)からイノベーションと技術開発賞を授与されました。著者らは、この作業を支援してくれたシニアリーダーシップチームのメンバーとレビュー委員会に感謝したいと思います。
Materials
| 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 |
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