伯克利团队在 Science 发表刺激性蛋白降解新策略

过去十年，PROTAC和分子胶不断拓展靶向蛋白降解的边界，但其核心思路始终是利用E3连接酶清除特定靶蛋白。如果疾病涉及多个异常蛋白，能否不再逐一设计降解剂，而是直接激活细胞自身的蛋白质质量控制系统？

近日，加州大学伯克利分校Michael Rapé团队在《Science》发表研究，提出刺激性蛋白降解（SPD）策略，并利用小分子激活CUL2-FEM1B，在神经退行性疾病细胞模型中改善线粒体功能和神经元存活。

从降解一个靶蛋白，到激活一套保护机制

靶向蛋白降解（Targeted Protein Degradation，TPD）已经成为药物研发的重要方向。无论是双功能PROTAC还是分子胶，其核心都是促使E3泛素连接酶与特定靶蛋白接近，进而诱导泛素化及蛋白酶体降解。

这一策略尤其适用于依赖明确致病蛋白的疾病。然而，对于神经退行性疾病、线粒体功能障碍等复杂病理状态，细胞异常往往涉及多个蛋白及相互关联的代谢过程，仅清除某一个靶点未必足以恢复细胞功能。

研究团队由此提出一个不同的问题：既然部分E3连接酶本身就是细胞应激保护系统的组成部分，能否通过小分子增强其天然活性，使多个相关底物同时被清除？

研究人员将这一思路命名为刺激性蛋白降解（Stimulated Protein Degradation，SPD）。它并非重新指定一个需要降解的蛋白，而是增强E3连接酶原本承担的保护性功能。

图 1：刺激性蛋白降解（SPD）通过解除BEX蛋白对E3连接酶的抑制，促进天然底物降解并改善线粒体功能

选择性置换BEX蛋白，激活CUL2–FEM1B连接酶

研究选择的靶点是参与还原性应激反应的E3连接酶复合物CUL2-FEM1B。

CUL2-FEM1B能够清除阻碍线粒体蛋白导入的底物，帮助维持线粒体外膜TOM复合物的正常功能，并支持电子传递链复合物IV的组装。不过，其活性受到BEX家族蛋白的限制：BEX蛋白占据FEM1B的底物结合区域，却不会像典型底物一样被有效泛素化降解，从而抑制其对部分天然底物的识别与降解。研究团队据此提出，通过小分子选择性置换BEX蛋白，同时保留FEM1B对天然底物的识别能力，有望实现E3连接酶的药理学激活。

图2：BD1通过竞争性占据FEM1B的R126口袋，干扰BEX蛋白结合，同时保留对部分天然底物的识别

真正的挑战在于，小分子必须解除BEX的抑制，同时保留FEM1B对天然底物的识别能力。如果把底物结合区域完全封闭，得到的就不是激动剂，而是抑制剂。

为此，研究团队建立了差异化荧光偏振筛选体系，同时检测FEM1B与BEX3抑制肽、FNIP1底物肽之间的相互作用，并筛选约12万个化合物。

最终发现的BD1能够选择性阻断BEX3结合，IC50约为2 μM，而在最高40 μM的测试浓度下，对FNIP1结合影响较小。晶体结构进一步显示，BD1结合于FEM1B的R126口袋，通过竞争性占位干扰BEX识别，而不是通过诱导明显的变构变化实现激活。

这一结果证明：E3连接酶的底物识别与抑制蛋白识别，虽然发生在相邻区域，却有机会被小分子选择性区分。

图3：BD2以FEM1B依赖的方式促进FNIP1降解，细胞报告体系IC50约为1.1 μM

BD2让多个天然底物同时进入降解通路

在BD1基础上，研究人员获得了细胞活性更好的类似物BD2。

实验显示，BD2能够解除可检测到的BEX家族蛋白与FEM1B之间的相互作用，并促进FNIP1的降解。在细胞报告体系中，BD2诱导线粒体FNIP1降解的IC50约为1.1 μM；当FEM1B被敲除，或者其关键结合位点发生耐药性突变时，这一作用明显消失。

更重要的是，研究团队通过蛋白质组学和后续验证发现，BD2的作用并不局限于FNIP1，还能够促进COA4、HK2和SLC25A11等天然底物的周转。其中，COA4报告蛋白的降解IC50约为0.7 μM。

这些结果说明，BD2并不是像传统PROTAC那样将某个新靶蛋白强行招募至E3，而是在解除抑制后，增强CUL2-FEM1B对其原有底物网络的调控。

不过，SPD也不意味着对所有底物的降解都得到增强。研究发现，BD2占据的R126口袋同时参与部分C端降解信号的识别，因此也会稳定某些依赖该口袋结合的底物。这提示，所谓E3激活仍然具有底物选择性和机制边界。

图4：BD2促进COA4降解，增强线粒体蛋白导入及电子传递链活性，相关效应依赖FEM1B

线粒体功能改善，神经元存活率提高

多底物降解是否能够真正转化为细胞功能改善，是这项研究的关键。

实验显示，BD2增强了线粒体蛋白导入，增加了电子传递链复合物IV相关亚基的丰度，并提高细胞氧耗水平；这些效应依赖FEM1B的存在。

随后，研究团队在细胞色素c氧化酶（COX）缺陷综合征模型中进一步验证。相关装配因子缺失可导致线粒体呼吸能力下降约30%—40%，而BD2处理能够在所研究的模型中使呼吸功能恢复至接近对照水平，并改善诱导分化神经元的存活情况。

研究还扩展至Friedreich共济失调模型。这是一种与frataxin蛋白缺乏及线粒体功能障碍相关的遗传性神经退行性疾病。BD2在相关细胞模型中改善了线粒体功能，其部分实验效果与适宜浓度的已获批药物omaveloxolone相近。

值得注意的是，这些发现目前主要来自细胞和诱导分化神经元模型，尚不能据此认定BD2具有临床治疗效果，更不能直接得出其疗效优于现有药物的结论。

图5：在COX缺陷相关细胞模型中，BD2改善线粒体呼吸及神经元存活，为SPD的疾病应用提供初步证据

总结

这项研究的意义，在于为蛋白降解药物开发增加了一种新的作用模式。

传统TPD强调如何让E3连接酶接近一个需要被清除的靶蛋白；SPD则关注如何解除E3连接酶的内源性抑制，使其重新执行天然的保护性任务。

对于涉及多种异常蛋白、蛋白定位障碍或细胞应激失衡的疾病，这种策略具有吸引力，因为它可能不必为每一个异常蛋白分别开发降解剂。

但距离真正的药物开发仍有明显距离。BD2的药效、选择性、脑组织暴露及体内安全性尚需系统优化；长期激活E3连接酶是否会破坏正常蛋白稳态，也需要进一步回答。尤其是其对不同天然底物具有促进或抑制两种方向的作用，意味着未来必须开展更全面的底物谱研究。

因此，SPD目前更准确的定位是一种得到细胞实验验证的E3连接酶激活策略，而不是已经成熟的神经退行性疾病治疗技术。

从PROTAC、分子胶到SPD，蛋白降解研发正在从“如何清除指定蛋白”，延伸至“如何调动细胞自身的蛋白质质量控制能力”。

Ref：Chandrasekhar S, et al. Stimulated protein degradation to promote mitochondrial function and neuronal survival. Science. 2026;394. DOI: 10.1126/science.aed2525.

编辑：幕斜知风骤

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