靶向降解错误折叠SOD1的BioPROTAC技术为肌萎缩侧索硬化症提供新型治疗策略

《Nature Communications》：Development of a targeted BioPROTAC degrader selective for misfolded SOD1

本研究针对神经退行性疾病中错误折叠蛋白累积这一难题，开发了能够特异性识别并降解肌萎缩侧索硬化症(ALS)相关蛋白SOD1错误折叠变体的生物蛋白降解靶向嵌合体(BioPROTAC)。研究人员通过筛选特异性单链抗体片段(scFv)和E3泛素连接酶，成功构建出可有效降解多种SOD1突变体、延缓SOD1G93A小鼠疾病进展的MisfoldUbL分子，为选择性清除神经毒性错误折叠蛋白提供了概念验证和治疗平台。

　　

在神经退行性疾病的复杂病理机制中，错误折叠蛋白质的异常累积始终是科学家们致力攻克的核心难题。特别是肌萎缩侧索硬化症(ALS)，这种致命性疾病与超氧化物歧化酶1(SOD1)的突变和错误折叠密切相关。目前面临的重大挑战在于：如何精准清除毒性蛋白物种同时保留正常蛋白功能？传统基因沉默技术缺乏对错误折叠蛋白的特异性，而小分子PROTACs则受限于结合位点要求。这种两难境地促使研究人员探索新的治疗策略。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，Christen G. Chisholm团队开发了一种创新性的生物蛋白降解靶向嵌合体(BioPROTAC)平台，专门针对错误折叠的SOD1蛋白进行选择性降解。该技术巧妙结合了抗体识别的高特异性和细胞内降解机制的高效率，为ALS及其他蛋白质错误折叠疾病提供了新的治疗思路。

研究人员采用的关键技术方法包括：利用单链抗体片段(scFv)筛选技术从7种特异性抗体中筛选最优结合单元；通过E3泛素连接酶组合构建（包含CHIP、UBE4A、Parkin等8种连接酶）优化降解效率；采用CRISPR/Cas9技术构建MisfoldUbL转基因小鼠模型（样本来源为SOD1^G93A ALS模型小鼠）；通过体外细胞模型（HEK293、Neuro-2A、SH-SY5Y细胞系）评估降解效果；并利用免疫组织化学、免疫印迹、运动功能行为学测试等综合分析治疗效应。

BioPROTAC设计

研究团队基于7种特异性识别SOD1静电环（天然折叠状态下不可及的表位）的单克隆抗体，构建了单链可变片段(scFv)库。这些scFv通过柔性(G4S)3连接子连接重链和轻链，并与截短的Hsc70相互作用蛋白(CHIP)的催化结构域融合，形成7种不同的嵌合BioPROTACs（BP1-BP7）。

G93A-EGFP或SOD1^A4V-EGFP的细胞中含有不溶性SOD1-EGFP聚集体的细胞数量。B 转染不同量BP2或BP2ΔCHIP的细胞中SOD1和Hsp70的水平。C 在不同浓度MG132处理后，BP2和BP2ΔCHIP组中含有不溶性SOD1^A4V-EGFP聚集体的细胞数量。D 在不同浓度Baf.A1处理后，BP2和BP2ΔCHIP组中含有不溶性SOD1^A4V-EGFP聚集体的细胞数量。E BP2或BP2ΔCHIP转染的细胞经载体、MG132或Baf.A1处理后SOD1的水平。'>

BioPROTAC scFvs特异性识别多种细胞类型中的错误折叠SOD1

在细胞水平评估中，BP2显示出最显著的错误折叠SOD1降解效果，能降低SOD1^A4V-EGFP水平达38%，并显著减少不溶性聚集体的形成。特别值得注意的是，BP2对多种SOD1突变体（A4V、G93A、G85R等）均表现出广泛的降解能力，而对野生型SOD1影响极小，证实了其特异性。

BioPROTAC介导的突变SOD1减少依赖于E3连接酶

研究人员进一步优化E3连接酶组件，测试了来自UBOX、HECT、RING和RBR四个家族的8种E3连接酶。结果显示，含有CHIP、UBE4A和Parkin催化结构域的BioPROTACs在可溶性表达和降解效率方面表现最佳，其中CHIP因其在脊髓组织中高表达而被选为最终构建体。

BioPROTACs通过溶酶体和蛋白酶体降解途径发挥作用

机制研究表明，完整的BP2（含CHIP结构域）通过泛素-蛋白酶体系统(UPS)和溶酶体途径协同降解错误折叠SOD1，而缺乏E3连接酶结构域的BP2^ΔCHIP仅通过溶酶体途径发挥部分作用。蛋白酶体抑制剂MG132处理完全阻断BP2的降解效应，而自噬-溶酶体抑制剂Bafilomycin A1仅部分阻断。

MisfoldUbL延缓SOD1^G93A小鼠疾病进展

在动物实验中，表达MisfoldUbL的SOD1^G93A小鼠表现出疾病进展延缓、运动功能保留改善。尽管生存期无显著差异，但43%的雄性SOD1^G93A/MisfoldUbL小鼠在达到伦理终点时仍保持良好运动能力，且无一进展至完全瘫痪状态。

MisfoldUbL在脑和脊髓神经元中的表达导致不溶性SOD1减少、运动神经元保护和神经肌肉接头保存

病理分析显示，SOD1^G93A/MisfoldUbL小鼠脑组织中不溶性SOD1显著减少，腰髓运动神经元数量增加30-50%，神经肌肉接头完全神经支配比例提高。这些发现与观察到的功能改善相一致，支持MisfoldUbL的神经保护作用。

研究结论表明，这种BioPROTAC策略能特异性减少错误折叠蛋白物种，产生疾病修饰效应，为神经退行性疾病的治疗应用提供了支持。该平台技术的成功开发，不仅为SOD1-ALS提供了新的治疗思路，也为其他蛋白质错误折叠疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）的治疗策略设计提供了重要参考。

值得注意的是，该研究也揭示了当前策略的局限性：神经元特异性启动子驱动的表达在脊髓（ALS主要病理部位）水平较低，提示未来需要优化表达系统以提高治疗效率。此外，研究中观察到的性别特异性效应（雄性小鼠获益更显著）也值得进一步探讨。

这项研究首次证实了BioPROTAC技术在神经退行性疾病中的应用潜力，为开发针对错误折叠蛋白的选择性降解疗法奠定了坚实基础，代表了靶向蛋白降解领域向神经系统疾病治疗应用的重要迈进。