चिमेरस (PROTACS) को लक्षित करने वाले प्रोटियोलिसिस द्वारा प्रेरित टर्नरी कॉम्प्लेक्स फॉर्मेशन के मूल्यांकन के लिए बायोफिजिकल परख का विकास और अनुप्रयोग
Summary
यहां हम चिमेरस (PROTACS) को लक्षित करने वाले प्रोटियोलिसिस द्वारा प्रेरित टर्नरी कॉम्प्लेक्स फॉर्मेशन के बायोफिजिकल लक्षण वर्णन के लिए प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं जिसमें ubiquitin ligases वॉन हिप्पेल-लिंडौ E3 लिगेज (VHL) और सेरेब्लोन (CRBN) शामिल हैं। यहां चित्रित बायोफिजिकल तरीकों में सतह प्लास्मोन अनुनाद (एसपीआर), बायोलेयर इंटरफेरोमेट्री (बीएलआई), और इज़ोटेर्मल अनुमापन कैलोरीमेट्री (आईटीसी) शामिल हैं।
Abstract
ई 3 लिगेस और गिरावट के लिए लक्षित प्रोटीन को एक बहु-चरण प्रक्रिया में हेटेरोबिफंक्शनल अणुओं द्वारा परिसरों को बनाने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। शामिल इंटरैक्शन के कैनेटीक्स और थर्मोडायनामिक्स सर्वव्यापकता की दक्षता में योगदान करते हैं और परिणामस्वरूप प्रोटीन का क्षरण होता है। सतह प्लास्मोन अनुनाद (एसपीआर), बायोलेयर इंटरफेरोमेट्री (बीएलआई), और इज़ोटेर्मल अनुमापन कैलोरीमेट्री (आईटीसी) जैसी बायोफिजिकल तकनीकें मूल्यवान जानकारी प्रदान करती हैं जिनका उपयोग उन इंटरैक्शन के अनुकूलन में किया जा सकता है। दो मॉडल प्रणालियों का उपयोग करते हुए, टर्नरी जटिल गठन की सहकारिता को समझने के लिए एक बायोफिजिकल परख टूल किट और बाध्यकारी कैनेटीक्स पर ‘हुक प्रभाव’ के प्रभाव की स्थापना की गई थी। एक मामले में, चिमेरा (PROTAC) अणु को लक्षित करने वाले एक प्रोटियोलिसिस का मूल्यांकन किया गया था जिसने Brd4BD2 और VHL के बीच टर्नरी जटिल गठन को प्रेरित किया था। विषम अणु, MZ1, में Brd4BD2 प्रोटीन (SPR K D = 1 nM, ITC K D = 4 nM) और VHL कॉम्प्लेक्स (SPR K D = 29 nM, ITC K D = 66 nM) दोनों के लिए nM संबंध हैं। इस प्रणाली के लिए, मजबूत एसपीआर, बीएलआई और आईटीसी परख विकसित किए गए थे जो टर्नरी कॉम्प्लेक्स गठन की सहकारिता का प्रदर्शन करने वाले प्रकाशित परिणामों को पुन: प्रस्तुत करते थे। दूसरे मामले में, एक अणु जिसने 46.0 केडीए प्रोटीन, पीपीएम 1 डी और सेरेब्लोन [सीआरबीएन (319-442)] के बीच टर्नरी कॉम्प्लेक्स को प्रेरित किया, का अध्ययन किया गया। हेटेरोबिफंक्शनल अणु, BRD-5110, में PPM1D के लिए SPR K D = 1 nM है, लेकिन काटे गए CRBN (319-442) कॉम्प्लेक्स (SPR KD = ~ 3 μM) के खिलाफ बहुत कमजोर बंधन है। उस स्थिति में, एसपीआर में सीआरबीएन के लिए बाध्यकारी संतृप्त नहीं था, जिसके परिणामस्वरूप “हुक-प्रभाव” हुआ। एसपीआर, बीएलआई और आईटीसी के लिए थ्रूपुट और अभिकर्मक आवश्यकताओं का मूल्यांकन किया गया था, और प्रोटैक परियोजनाओं के लिए उनके आवेदन के लिए सामान्य सिफारिशें प्रदान की गई थीं।
Introduction
सेल में प्रोटीन के polyubiquitination एक कसकर विनियमित प्रक्रिया है कि Ubiquitin Ligase परिवार 1,2 में एंजाइमों को शामिल है. मार्ग में टर्मिनल एंजाइम ई 3 यूबिकिटिन लिगेस हैं जो सहसंयोजक रूप से अपने प्रोटीन-बाध्यकारी भागीदारों को सर्वव्यापी अणुओं को संलग्न करते हैं3. उन प्रोटीन बाध्यकारी भागीदारों का पॉलीयूबिकिटिनेशन उन्हें प्रोटीसोम4 द्वारा प्रोटियोलिटिक गिरावट के लिए लक्षित करता है। यह प्रणाली प्रोटीन होमियोस्टेसिस प्रक्रिया का हिस्सा है जिसे रोग5 में शामिल प्रोटीन के क्षरण को प्रेरित करने के लिए चिकित्सीय रूप से लीवरेज किया गया है। छोटे अणु जो E3 ubiquitin ligases के बीच बातचीत को प्रेरित करते हैं, जैसे कि वॉन हिप्पेल-लिंडौ E3 लिगेज (VHL) या सेरेब्लोन (CRBN), आमतौर पर एक E3 लिगेज बाइंडिंग वारहेड से बने होते हैं जो एक लचीले लिंकर द्वारा एक वारहेड से जुड़े होते हैं जो प्रोटीन को बांधता है गिरावट के लिए लक्षित किया जा रहा है। इन विषम अणुओं को आमतौर पर काइमेरा या PROTACS6 को लक्षित करने वाले प्रोटियोलिसिस के रूप में जाना जाता है।
PROTACS के विकास में कोशिकाओं में प्रोटीन के क्षरण को प्रेरित करने के लिए अणुओं की क्षमता का मूल्यांकन करना शामिल है। कई सेलुलर परख प्रणाली विकसित की गई हैं जो PROTAC अणु के साथ कोशिकाओं के उपचार पर VHL या CRBN जैसे लक्ष्य प्रोटीन और E3 लिगेज घटकों के बीच प्रेरित बातचीत की निगरानी करती हैं। ऐसा ही एक सेलुलर परख, नैनोलुक-हेलोटैग सिस्टम7, में हेलोटैग स्वीकर्ता से जुड़े एक ई 3 लिगेज और एक नैनोलुक दाता के साथ टैग किया गया एक लक्ष्य प्रोटीन शामिल है। टर्नरी कॉम्प्लेक्स फॉर्मेशन नैनोलुक डोनर और हेलोटैग स्वीकर्ता को निकटता में लाता है, जिससे दाता से स्वीकर्ता तक ऊर्जा के हस्तांतरण की अनुमति मिलती है जिसके परिणामस्वरूप प्रकाश का उत्सर्जन होता है। इस प्रणाली की विविधताओं PROTACS अणुओं8 या लक्ष्य प्रोटीनसर्वव्यापकता 9 के सापेक्ष स्तर में परिवर्तन की सेलुलर पारगम्यता का आकलन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. जबकि ये सेलुलर सिस्टम PROTACS के अनुकूलन को चलाने के लिए आवश्यक हैं, E3 ligases और गिरावट के लिए लक्षित प्रोटीन के बीच परिसरों का गठन एक बहु-चरण प्रक्रिया10,11है। शामिल बाइनरी और टर्नरी इंटरैक्शन के कैनेटीक्स और थर्मोडायनामिक्स दक्षता सर्वव्यापकता में योगदान करते हैं और प्रोटीन12,13,14के परिणामस्वरूप गिरावट होती है।
यहां वर्णित प्रोटोकॉल हैं जिन्हें सतह प्लास्मोन अनुनाद (एसपीआर), बायोलेयर इंटरफेरोमेट्री (बीएलआई), और इज़ोटेर्मल अनुमापन कैलोरीमेट्री (आईटीसी) का उपयोग करके PROTACS द्वारा प्रेरित टर्नरी कॉम्प्लेक्स गठन के बायोफिजिकल लक्षण वर्णन के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। MZ1 PROTAC अणु के लिए SPR और ITC प्रोटोकॉल जो Brd4BD2 और VHL के बीच टर्नरी जटिल गठन को प्रेरित करता है, साहित्य रिपोर्ट13,15 से प्राप्त होता है और यहां वर्णित रिपोर्ट की गई प्रक्रियाओं के कुछ संशोधन के साथ रिपोर्ट किए गए परिणामों को पुन: प्रस्तुत करने में सक्षम था, जिस पर चर्चा की जाएगी। MZI, Brd4BD2 और VHL के बीच टर्नरी जटिल गठन का मूल्यांकन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले BLI परख का विवरण इस रिपोर्ट में शामिल है। बीएलआई से आत्मीयता माप एसपीआर और आईटीसी में देखे गए लोगों के अनुरूप थे। एक पहले प्रकाशित प्रोटोकॉल जिसमें पीपीएम 1 डी के बीच प्रोटैक-प्रेरित टर्नरी कॉम्प्लेक्स गठन का आकलन करने के लिए एक एसपीआर परख विकसित की गई थी, एक सेर / थ्र प्रोटीन फॉस्फेट जिसकी अभिव्यक्ति पी 53-निर्भर तरीके सेप्रेरित है 16, और सीआरबीएन का भी वर्णन किया गया है। इस उदाहरण में, PROTAC अणु में PPM1D के लिए एक नैनोमोलर आत्मीयता है लेकिन CRBN के लिए केवल एक माइक्रोमोलर आत्मीयता है। इस मामले में, सीआरबीएन के लिए प्रोटैक अणु का बंधन संतृप्त नहीं है, जिसके परिणामस्वरूप आमतौर पर मनाया जाने वाला “हुक प्रभाव” होता है। हुक प्रभाव तीन शरीर प्रणालियों की एक संपत्ति है जिसमें दो प्रजातियां हैं जो एक हेटेरोट्रिमेरिक कॉम्प्लेक्स बना सकती हैं जब दोनों एक ब्रिजिंग अणु (चित्रा 1)17से बंधे होते हैं। हुक प्रभाव तब देखा जाता है जब ब्रिजिंग प्रजाति दो अन्य प्रजातियों के सापेक्ष अधिक एकाग्रता में होती है। परिणामी अवस्था वह है जिसमें बाइनरी इंटरैक्शन टर्नरी इंटरैक्शन को पछाड़ते हैं। जिन प्रणालियों में हुक प्रभाव देखा जाता है, उन्हें इस रिपोर्ट में चर्चा किए गए विशिष्ट प्रयोगात्मक डिजाइन विचारों की आवश्यकता होती है। PROTAC- प्रेरित टर्नरी कॉम्प्लेक्स गठन के मूल्यांकन के लिए बायोफिजिकल assays के उपयोग के मूल्यांकन के लिए सामान्य अवधारणाएं और अभिकर्मक आवश्यकताएं प्रदान की जाती हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
PROTAC अणुओं और उनके प्रोटीन बाध्यकारी भागीदारों के बीच बाइनरी और टर्नरी इंटरैक्शन का बायोफिजिकल लक्षण वर्णन व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले सेलुलर सिस्टम के सापेक्ष अद्वितीय और पूरक अंतर्दृष्टि प्र?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम एमआईटी और हार्वर्ड के ब्रॉड इंस्टीट्यूट में चिकित्सा विज्ञान के विकास के लिए केंद्र से एक नवाचार और प्रौद्योगिकी विकास पुरस्कार द्वारा समर्थित किया गया. लेखक इस काम के समर्थन के लिए वरिष्ठ नेतृत्व टीम और समीक्षा समिति के सदस्यों को धन्यवाद देना चाहते हैं।
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 |
References
- Balaji, V., Hoppe, T. Regulation of E3 ubiquitin ligases by homotypic and heterotypic assembly. F1000Research. 9, (2020).
- Song, L., Luo, Z. -. Q. Post-translational regulation of ubiquitin signaling. Journal of Cell Biology. 218 (6), 1776-1786 (2019).
- Yang, Q., Zhao, J., Chen, D., Wang, Y. E3 ubiquitin ligases: styles, structures and functions. Molecular Biomedicine. 2 (1), 23 (2021).
- Grice, G. L., Nathan, J. A. The recognition of ubiquitinated proteins by the proteasome. Cellular and Molecular Life Sciences: CMLS. 73 (18), 3497-3506 (2016).
- Chirnomas, D., Hornberger, K. R., Crews, C. M. Protein degraders enter the clinic – a new approach to cancer therapy. Nature Reviews Clinical Oncology. 20 (4), 265-278 (2023).
- Toure, M., Crews, C. M. Small-molecule PROTACS: New approaches to protein degradation. Angewandte Chemie (International ed. In English). 55 (6), 1966-1973 (2016).
- Ottis, P., Toure, M., Cromm, P. M., Ko, E., Gustafson, J. L., Crews, C. M. Assessing different E3 ligases for small molecule induced protein ubiquitination and degradation. ACS Chemical Biology. 12 (10), 2570-2578 (2017).
- Riching, K. M., et al. Quantitative live-cell kinetic degradation and mechanistic profiling of PROTAC mode of action. ACS Chemical Biology. 13 (9), 2758-2770 (2018).
- Nabet, B., et al. The dTAG system for immediate and target-specific protein degradation. Nature Chemical Biology. 14 (5), 431-441 (2018).
- Paiva, S. -. L., Crews, C. M. Targeted protein degradation: elements of PROTAC design. Current Opinion in Chemical Biology. 50, 111-119 (2019).
- Hershko, A., Ciechanover, A. The ubiquitin system. Annual Review of Biochemistry. 67, 425-479 (1998).
- Chan, K. -. H., Zengerle, M., Testa, A., Ciulli, A. Impact of target warhead and linkage vector on inducing protein degradation: Comparison of bromodomain and extra-terminal (BET) degraders derived from triazolodiazepine (JQ1) and tetrahydroquinoline (I-BET726) BET inhibitor scaffolds. Journal of Medicinal Chemistry. 61 (2), 504-513 (2018).
- Roy, M. J., et al. SPR-measured dissociation kinetics of PROTAC ternary complexes influence target degradation rate. ACS Chemical Biology. 14 (3), 361-368 (2019).
- Pierce, N. W., Kleiger, G., Shan, S., Deshaies, R. J. Detection of sequential polyubiquitylation on a millisecond timescale. Nature. 462 (7273), 615-619 (2009).
- Gadd, M. S., et al. Structural basis of PROTAC cooperative recognition for selective protein degradation. Nature Chemical Biology. 13 (5), 514-521 (2017).
- Nahta, R., Castellino, R. C. Phosphatase magnesium-dependent 1 δ (PPM1D), serine/threonine protein phosphatase and novel pharmacological target in cancer. Biochemical Pharmacology. 184, 114362 (2021).
- Douglass, E. F., Miller, C. J., Sparer, G., Shapiro, H., Spiegel, D. A. A comprehensive mathematical model for three-body binding equilibria. Journal of the American Chemical Society. 135 (16), 6092-6099 (2013).
- Zorba, A., et al. Delineating the role of cooperativity in the design of potent PROTACs for BTK. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (31), E7285-E7292 (2018).
- Fairhead, M., Howarth, M. Site-specific biotinylation of purified proteins using BirA. Methods in Molecular Biology. 1266, 171-184 (2015).
- Nowak, R. P., et al. Plasticity in binding confers selectivity in ligand-induced protein degradation. Nature Chemical Biology. 14 (7), 706-714 (2018).
