科学家们长期以来一直难以靶向缺乏明确结构的蛋白质，这些蛋白质与癌症、帕金森病等神经退行性疾病以及其他严重疾病有关。现在，一项新研究展示了一种新策略的概念证明：工程化蛋白酶——在特定位点切割蛋白质的酶——以在人体细胞的蛋白质组中选择性地以高精度降解这些难以捉摸的靶标。
该研究于2025年3月24日发表在《美国国家科学院院刊》上，显示如何重新编程来自肉毒杆菌毒素的蛋白酶以靶向α-突触核蛋白——一种用于此研究的模型蛋白，具备非结构化区域。该研究标志着在更广泛的方法中的一个证明点，可以应用于蛋白质组中多种靶标。
高级作者、斯克里普斯研究所的总裁兼首席执行官皮特·舒尔茨（Pete Schultz）表示：“这项工作突显了我们如何利用实验室进化的力量来工程化蛋白酶，为治疗难以靶向的蛋白质引起的疾病提供新方法。为了开发缺乏有效治疗的疾病的新疗法，这是一个激动人心的步骤。”
该研究建立在肉毒杆菌毒素的基础上，这是一种以其在用于美容目的和某些医疗条件下的应用而著称的细菌蛋白。这种毒素自然包含一种蛋白酶。在原始形式下，该蛋白酶仅靶向SNAP-25——一种对于神经细胞之间传递信号至关重要的蛋白质。通过降解SNAP-25，肉毒杆菌毒素破坏了神经信号传递，导致在肉毒杆菌注射后出现的暂时性瘫痪效果。
为了将这种精确性重新编程为靶向α-突触核蛋白，研究团队使用定向进化对酶进行了修改，这是一种实验室过程，涉及引入突变并在多个周期中选择功能改进的变体。结果：蛋白酶5。然而，挑战不仅在于重新编程蛋白酶靶向α-突触核蛋白——还在于确保它仅攻击α-突触核蛋白，而不攻击其他蛋白。过去试图进化蛋白酶用于治疗的尝试，结果导致靶向过多种蛋白质的酶，切割多个非目标分子并导致细胞毒性。
“α-突触核蛋白是一种极难靶向的蛋白质，因为它没有稳定的结构，”首席作者、斯克里普斯研究所的博士后菲利普·索德曼（Philipp Sondermann）说。“大多数药物通过附着在结构化的蛋白质上发挥作用，但α-突触核蛋白更像是一个不断改变的纠结。”
尽管α-突触核蛋白在帕金森病及相关疾病中发挥着核心作用，但在本研究中它被用作代表一类更广泛的蛋白质，称为内在无序蛋白（IDPs）——这些蛋白质缺乏定义形状并且以药物靶向著称的困难。其不稳定性使这些疾病的治疗变得具有挑战性，因为传统疗法通常通过附着在蛋白质上的稳定口袋上工作，就像钥匙插入锁中那样。然而，α-突触核蛋白没有这样的结合位点，留下了少数可行的治疗选择。“这就是蛋白酶大显身手的地方，”索德曼说。“它们不需要特定的结合位点，可以被设计成直接识别和切割α-突触核蛋白，从而防止其在大脑中危险性地积累。”
研究团队使用定向进化，逐步修改肉毒杆菌蛋白酶，选择显示出对α-突触核蛋白偏好的变体。“定向进化就像选择性繁殖——就像农民培育植物以获得更好的作物，科学家通过许多小变化引导蛋白质，在每一步选择最佳版本，”索德曼解释说。“每一轮修改使得酶更具专业性，”他说，“直到它能够选择性降解α-突触核蛋白而不触及其他蛋白。”
在对人细胞进行测试时，蛋白酶5几乎消除了所有α-突触核蛋白，表明它可以帮助防止在帕金森病中看到的有害积累。由于该酶被设计为精确靶向α-突触核蛋白，因此它不会引起毒性或破坏基本的细胞功能。
虽然斯克里普斯研究所的研究是一个重要的概念证明，提供早期证据表明这种蛋白酶策略将来可能成为有效治疗，但在开发可行疗法之前仍然面临障碍。最大的挑战包括将蛋白酶5运输到大脑——因为大型蛋白质难以穿越血脑屏障——并确保它不会触发免疫反应。
然而，肉毒杆菌毒素本身提供了一些优势。除了其精确性外，它还具有自然进入神经元的能力，并且由于用于肉毒杆菌治疗的毒素被免疫系统耐受，因此已被改造的形式可能不会被排斥。“肉毒杆菌已经使用数十年，免疫反应极小，这使其成为一种有前景的治疗酶起点，”索德曼指出。
下一步将是开发向感兴趣的靶组织输送进化蛋白酶的策略。同时，实验室现在正在将此处开发的方法应用于参与癌症的关键蛋白质的降解，包括c-Myc和K-Ras。“这仅仅是一个开始，”舒尔茨说。“通过开发高度选择性的基于蛋白酶的疗法，我们希望创造一个用于靶向由致病蛋白引起的多种疾病的平台。”
这项工作得到了瑞士国家科学基金会和国家卫生研究院（R35GM145323号拨款）的资金支持。
