Name: 用于评估蛋白水解靶向嵌合体（PROTACS）诱导的三元复合物形成的生物物理测定方法的发展和应用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-01-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 22 s
Description: 学习使用表面等离子共振、生物层干涉和等温滴定量热法评估PROTAC诱导的三元复合物形成。本研究建立了可靠的生物物理表征方案，可优化靶向蛋白降解工具的设计与应用。

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本工作获得了麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所治疗学发展中心颁发的创新与技术发展奖的支持。作者谨此感谢高级领导团队成员和评审委员会对本工作的支持。

所有蛋白质均在E.coli中高效表达，产量和纯度良好（&#62;80%），具体操作参照文献方法18。生物素化反应采用BirA催化的反应完成18。所有小分子均用100% DMSO配制成1 mM的储备液。本文所述操作无需特殊实验室安全设备或特殊防护措施，仅需使用标准的实验室个人防护装备（PPE）（即实验服、护目镜和手套）。
本研究中使用的蛋白质如下所列： 
VHL：在ElonginB的C末端带有Avi标签的生物素化VHL(53-213)/ElonginB(1-104)/ElonginC(17-112)复合物。 
Brd4BD2：无标签的Brd4BD2(333-460) 
CRBN：在N末端带有Avi标签的生物素化CRBN(319-442) 
PPM1D：N末端无标签或双His8标签的PPM1D(1-420)
本研究中使用的小分子如下所列： 
MZ1（分子量 = 1002.6 Da）：可结合 VHL 和 Brd4BD2 的 PROTAC 
BRD-2512（分子量 = 841.4 Da）：CRBN 的 KD 值约为 3 µM，不与 PPM1D 结合 
BRD-5110（分子量 = 872.0 Da）：CRBN 的 KD 值约为 3 µM，PPM1D 的 KD 值为 1–2 nM 
BRD-4761（分子量 = 476.6 Da）：不与 CRBN 结合，PPM1D 的 KD 值为 1–2 nM
1. 方法一：ITC（等温滴定 calorimetry）
注意：滴定使用带有自动注射功能的微量热量计进行。
<ol>
	<li>缓冲液配制：配制 3 L 含 20 mM HEPES、150 mM NaCl、1 mM TCEP、pH 7.5 的缓冲液。</li>
	<li>透析：将 VHL 和 Brd4BD2（各约 500 µL，浓度为 150 µM）在步骤 1.1 配制的缓冲液中于 4 ˚C 下透析 3 次，时间分别为 4 h、2 h 和约&#160;16 h。最后一次透析后的缓冲液保留，用于后续步骤。</li>
	<li>在带塑料盖的 96 孔板中准备样品。
	<ol>
		<li>每次滴定需准备 400 µL 样品池溶液、125 µL 注射器溶液和 400 µL 清洗缓冲液。将样品加入板中连续的三个孔。由于化合物储备液为 1 mM 浓度、溶于 100% DMSO，需在蛋白溶液中加入相同百分比的 DMSO，以确保样品池和注射器中的缓冲液条件一致。最终溶液中 DMSO 浓度为 2%。
		<ol>
			<li>VHL 滴定至 MZ1 的样品：样品池溶液包含 392 µL 缓冲液、4 µL 1 mM MZ1（终浓度 10 µM）和 4 µL 100% DMSO；注射器溶液包含 122.5 µL 85.7 µM VHL 和 2.5 µL 100% DMSO（终浓度 84 µM）。</li>
			<li>VHL 滴定至缓冲液的样品（用于校正样品 1.3.1.1 数据的背景信号）：样品池溶液包含 392 µL 缓冲液和 8 µL 100% DMSO；注射器溶液包含 122.5 µL 85.7 µM VHL（终浓度 84 µM）和 2.5 µL 100% DMSO。</li>
			<li>VHL 滴定至 MZ1 和 Brd4BD2 的样品：样品池溶液包含 392 µL 17.1 µM Brd4BD2（终浓度 16.8 µM）、3.36 µL 1 mM MZ1（终浓度 8.4 µM）和 4.64 µL 100% DMSO；注射器溶液包含 122.5 µL 85.7 µM VHL（终浓度 84 µM）和 2.5 µL 100% DMSO。</li>
			<li>VHL 滴定至 Brd4BD2 的样品（用于 1.3.1.3 的背景校正）：样品池溶液包含 392 µL 17.1 µM Brd4BD2（终浓度 16.8 µM）和 8 µL 100% DMSO；注射器溶液包含 122.5 µL 85.7 µM VHL（终浓度 84 µM）和 2.5 µL 100% DMSO。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在微量热量计上运行全部四组滴定实验。每组实验包含 19 次注射，每次注入 2 µL 注射器溶液，速率为 2 µL/s，间隔时间为 120 s。首次注射蛋白（0.4 µL）在数据分析时舍弃。所有实验在 25 ˚C 下进行，搅拌速度为 600 rpm。</li>
	<li>数据分析：使用仪器制造商提供的分析软件，将数据拟合为单结合位点模型，获得化学计量比（n）、解离常数（KD）和结合焓变（ΔH）（图 2）。</li>
</ol>
2. 方法2：BLI（生物层干涉测量法）
<ol>
	<li>在室温（RT）下使用链霉亲和素（SA）包被的传感器进行BLI实验，数据采集速率为5 Hz。在自动化的BLI实验过程中，确保传感器在单个列内保持静止。&#160;在最大孔体积为 392 µL 的 96 孔平底黑色板中，于不同列之间移动，并向实验所用板的每孔中加入 200 µL 溶液。 
	注意：BLI 仅适用于检测蛋白质-蛋白质相互作用（即三元复合物的形成），其灵敏度不足以检测蛋白质与小分子之间的相互作用。
	<ol>
		<li>缓冲液配制：配制100 mL含有20 mM HEPES、150 mM NaCl、1 mM TCEP、0.05% P20、pH 7.5的缓冲液。</li>
		<li>固定步骤的优化：按照制造商建议，将测试传感器的负载量控制在1-3 nm。本方案中采用约1.0 nm的负载量。为达到此目标，将传感器浸入含1.5 µg/mL VHL的溶液中，孵育80 s。</li>
		<li>使用以下步骤，通过应用七个SA传感器进行BLI动力学测量：
		<ol>
			<li>在第一个基线阶段，将样品浸入缓冲液中60秒。</li>
			<li>固定相步骤：将样品浸入浓度为1.5 µg/mL的VHL溶液中，持续80秒。</li>
			<li>对于第二个基线阶段，浸入&#160;缓冲液处理 60 秒。</li>
			<li>结合相中，浸入固定浓度的 Brd4 溶液BD2 在2 µM BRD4 BD2、2% DMSO（固定浓度）以及MZ1浓度分别为100 nM、50 nM、25 nM、12.5 nM、6.3 nM、3.1 nM和0 nM（参照传感器）的条件下，孵育300秒。</li>
			<li>对于解离阶段，浸入&#160;缓冲600秒。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>使用制造商提供的软件进行数据分析。 k开启, k关闭，以及 KD 用于数据拟合的报告（图3).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 方法3：SPR（表面等离子体共振）
注意：所有 SPR 实验均使用链霉亲和素（SA）包被的传感器芯片在室温下进行。尽管 NTA 芯片可用于检测蛋白质与小分子之间的相互作用，但在应用于三元复合物检测时需谨慎，因为与 SA 芯片相比，NTA 芯片背景信号显著升高，可能是由于带电荷的芯片表面与分析物中的蛋白质之间存在静电相互作用所致。
<ol>
	<li>SPR 法检测 VHL-MZ1 相互作用
	<ol>
		<li>缓冲液的配制
		<ol>
			<li>配制1 L含有20 mM HEPES、150 mM NaCl、1 mM TCEP、0.005% P20、pH 7.5的缓冲液，并通过0.2 µm滤器过滤。</li>
			<li>取出20 mL缓冲液留作后续使用（无DMSO缓冲液），并补充20 mL DMSO（最终运行缓冲液中DMSO浓度为2%）。在下述所有样品中（步骤3.1和3.2）保持DMSO浓度为2%</li>
		</ol>
		</li>
		<li>按照制造商的说明书激活SA芯片，并将VHL固定至约2000 RU（以5 µL/min流速注入5 µg/mL的蛋白质溶液）。</li>
		<li>在384孔、锥底、半透明聚丙烯板（最大体积130 µL）上，用3倍稀释法进行8个浓度点的系列稀释，MZ1最高浓度为10 µM。使用与聚丙烯微孔板兼容的自粘性透明塑料封板膜密封板孔。
		<ol>
			<li>使用不含DMSO的缓冲液配制最高浓度溶液，以确保最终浓度为2% DMSO。向147 µL不含DMSO的缓冲液中加入1.5 µL浓度为1 mM的MZ1储备液和1.5 µL纯DMSO。</li>
			<li>用含有2% DMSO的运行缓冲液制备3倍系列稀释液。取100 µL运行缓冲液，加入50 µL在步骤3.1.3.1中配制的最高浓度溶液，充分混匀，以制备2nd 最高浓度</li>
			<li>然后将步骤 3.1.3.2 中配制的溶液 50 µL 转移至下一管含 100 µL 运行缓冲液的试管中，充分混匀，以配制 3rd 最高浓度，依此类推。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>采用多循环模式运行表面等离子共振（SPR）：模式：高性能；接触时间：120 秒；解离时间：300 秒；流速：50 µL/min。</li>
		<li>使用仪器制造商提供的评估软件进行数据分析。稳态分析表明 KD = 26 (± 3) nM，达到的最大结合率（Rmax）约为 91% (± 5%)图 4A)</li>
	</ol>
	</li>
	<li>SPR 分析 VHL:MZ1:Brd4 复合物BD2 三元复合物
	<ol>
		<li>按照步骤 3.1.1 中所述配制缓冲液。</li>
		<li>按照制造商的说明书激活SA芯片，并将VHL固定至约100 RU。以5 µL/min的流速注入浓度为0.5 µg/mL的VHL蛋白溶液，接触时间为1–5分钟，直至表面密度达到约100 RU。</li>
		<li>在96孔透明聚苯乙烯圆底板（最大体积为323 µL）中，按照步骤3.2.3.1–3.2.3.2所述，制备两组5倍稀释、5个浓度点的单循环进样样品，并用与聚苯乙烯微孔板兼容的自粘性透明塑料封板膜密封。
		<ol>
			<li>阴性对照：分析物含有 Brd4BD2 仅。
			<ol>
				<li>在运行缓冲液中配制25 µM的最高浓度溶液，体积为200 µL（#A5）</li>
				<li>每份加入 160 µL Brd4BD2 在流动缓冲液中以 2 µM 浓度加入左侧接下来的 4 个孔（#A1-A4）</li>
				<li>将40 µL的A5转移至A4中，充分混匀。</li>
				<li>将40 µL的A4转移至A3，充分混匀。依此操作依次进行至A1。</li>
			</ol>
			</li>
			<li>三元复合物形成：分析物包含 MZ1 和 Brd4BD2.
			<ol>
				<li>将4 µL溶于100% DMSO的20 µM MZ1加入到含25.5 µM Brd4的196 µL溶液中，配制最高浓度溶液BD2 在无DMSO缓冲液（#B5）中，Brd4的终浓度为25 µMBD2，100 nM MZ1，以及2% DMSO。</li>
				<li>每份加入 160 µL Brd4BD2 在流动缓冲液中以 2 µM 浓度加入左侧接下来的 4 个孔（#B1-B4）</li>
				<li>将40 µL B5转移至B4中，充分混匀。</li>
				<li>将40 µL的B4转移至B3，充分混匀。依此操作依次进行至B1。</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
		<li>使用单周期模式运行表面等离子共振（SPR）：接触时间：100 秒；解离时间：720 秒；流速：50 µL/min。每次样品检测前注射三次缓冲液，以确保基线稳定。</li>
		<li>数据分析：以缓冲液的第三次注射作为背景进行扣除。阴性对照中，当不存在MZ1时，VHL与Brd4之间的表面等离子共振（SPR）响应BD2 可忽略。当存在MZ1时，动力学拟合表明VHL与MZ1-Brd4之间存在相互作用BD2 复合物具有 k开启 = 7.9 (± 1.5) *107 /毫西门子， k关闭 = 0.014 s-1，以及 KD = 1 nM。图4B)</li>
	</ol>
	</li>
	<li>SPR 法检测 CRBN 与小分子的相互作用
	<ol>
		<li>缓冲液的配制
		<ol>
			<li>配制1 L含有50 mM Tris、100 mM NaCl、1 mM MgCl的缓冲液2，0.5 mM TCEP，0.005% P20，pH 7.5，并通过0.2 µm滤器过滤。</li>
			<li>移除20 mL缓冲液，并补充20 mL 100% DMSO（最终运行缓冲液中DMSO浓度为2%）。在下述所有样品中（步骤3.3、3.4和3.5），保持DMSO浓度为2%至关重要。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>按照制造商的说明书激活SA芯片，并将CRBN固定至约800 RU。</li>
		<li>在384孔板中，按照3.1.3节所述方法，将化合物进行3倍、6个浓度点的系列稀释，最高浓度为30 µM。</li>
		<li>使用多循环模式进行 SPR 实验：模式：高性能，&#160;接触时间：60 秒，解离时间：90 秒；流速：50 µL/min。对于该系统，三次缓冲液进样足以获得稳定的基线背景。对于其他检测系统，可能需要进行额外的缓冲液进样。</li>
		<li>使用制造商提供的软件进行数据分析。 
		注意：稳态分析表明 KD BRD-2512 和 BRD-5110 的结合率均约为 3 µM，但结合水平仅达到约 70% R最大 在最高浓度下发生结合。结合亲和力较弱以及传感器图谱的形状均表明，化合物在高浓度下可能发生不溶。因此，实际的KD 可能高于 3 µM。未结合 CRBN 的 BRD-4761 被用作阴性对照。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>SPR 法检测 PPM1D 与小分子的相互作用
	<ol>
		<li>按照步骤 3.3.1 所述配制缓冲液。使用亚氨基二乙酸（NTA）传感器芯片。</li>
		<li>应用单个循环，因为PPM1D弹头具有较慢的反应动力学 k开启 和 k关闭使用制造商默认设置再生NTA芯片，并在每次化合物注射后固定PPM1D至约1000 RU（以5 µL/min流速注射5 µg/mL蛋白溶液）。</li>
		<li>按照3.1.3节所述，将化合物配制成3倍、5个浓度点的系列稀释液，最高浓度为400 nM。</li>
		<li>采用单循环模式运行表面等离子共振（SPR）：模式：高性能；接触时间：90 s；解离时间：600 s；流速：50 µL/min。每次化合物注射前均注入三次缓冲液，以确保基线稳定。</li>
		<li>数据分析。将缓冲液的第三次注射作为背景进行扣除。以BRD-2512作为阴性对照，其不与PPM1D结合。BRD-4761和BRD-5110的动力学拟合结果显示，两者的KD值均为1–2 nM。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>SPR 法检测 CRBN:PROTAC:PPM1D 三元复合物
	<ol>
		<li>按照步骤 3.3.1 中所述配制缓冲液。</li>
		<li>按照制造商的说明书激活SA芯片，并将CRBN固定至约35 RU（以5 µL/min流速注入0.5 µg/mL的蛋白质溶液）。</li>
		<li>采用3.2.3步骤中所述方法，配制三种化合物的3倍、6个浓度点的系列稀释液，最高浓度为30 µM，所有样品（包括空白孔）中[PPM1D]浓度均保持为1 µM。</li>
		<li>采用多循环模式运行表面等离子体共振（SPR）：模式：高性能；接触时间：60 秒；解离时间：90 秒；流速：50 µL/min。</li>
		<li>使用制造商提供的软件进行数据分析。 
		注意：尽管 BRD-2512 和 BRD-4761 无反应或反应可忽略，BRD-5110 则明显显示出响应 &#34;钩状效应&#34; 在具有快速结合/解离动力学的稳态下（图 5A- C）。BRD-5110 的实验结合响应图5C) 介于模拟预测响应之间，该预测基于假设 KD （CRBN，cpd）为 3 或 10 µM（图 5E)，表明该三元KD 和二元 KD 非常相似。PPM1D: BRD-5110: CRBN 复合物的形成未表现出明显的协同性。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

Characterization of Ternary Complex Formation in PROTACs Using Biophysical Assays

<ol><li>Balaji, V., Hoppe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Regulation+of+E3+ubiquitin+ligases+by+homotypic+and+heterotypic+assembly%5BTitle%5D)+AND+%22F1000Research%22%5BJournal%5D)">Regulation of E3 ubiquitin ligases by homotypic and heterotypic assembly.</a> F1000Research. 9, (2020).</li>
<li>Song, L., Luo, Z. -Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Post-translational+regulation+of+ubiquitin+signaling%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cell+Biology%22%5BJournal%5D)">Post-translational regulation of ubiquitin signaling.</a> Journal of Cell Biology. 218 (6), 1776-1786 (2019).</li>
<li>Yang, Q., Zhao, J., Chen, D., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((E3+ubiquitin+ligases%3A+styles%2C+structures+and+functions%5BTitle%5D)+AND+%22Molecular+Biomedicine%22%5BJournal%5D)">E3 ubiquitin ligases: styles, structures and functions.</a> Molecular Biomedicine. 2 (1), 23(2021).</li>
<li>Grice, G. L., Nathan, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+recognition+of+ubiquitinated+proteins+by+the+proteasome%5BTitle%5D)+AND+%22Cellular+and+Molecular+Life+Sciences%3A+CMLS%22%5BJournal%5D)">The recognition of ubiquitinated proteins by the proteasome.</a> Cellular and Molecular Life Sciences: CMLS. 73 (18), 3497-3506 (2016).</li>
<li>Chirnomas, D., Hornberger, K. R., Crews, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein+degraders+enter+the+clinic+-+a+new+approach+to+cancer+therapy%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Clinical+Oncology%22%5BJournal%5D)">Protein degraders enter the clinic - a new approach to cancer therapy.</a> Nature Reviews Clinical Oncology. 20 (4), 265-278 (2023).</li>
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<li>Ottis, P., Toure, M., Cromm, P. M., Ko, E., Gustafson, J. L., Crews, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+different+E3+ligases+for+small+molecule+induced+protein+ubiquitination+and+degradation%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Chemical+Biology%22%5BJournal%5D)">Assessing different E3 ligases for small molecule induced protein ubiquitination and degradation.</a> ACS Chemical Biology. 12 (10), 2570-2578 (2017).</li>
<li>Riching, K. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+live-cell+kinetic+degradation+and+mechanistic+profiling+of+PROTAC+mode+of+action%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Chemical+Biology%22%5BJournal%5D)">Quantitative live-cell kinetic degradation and mechanistic profiling of PROTAC mode of action.</a> ACS Chemical Biology. 13 (9), 2758-2770 (2018).</li>
<li>Nabet, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+dTAG+system+for+immediate+and+target-specific+protein+degradation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Chemical+Biology%22%5BJournal%5D)">The dTAG system for immediate and target-specific protein degradation.</a> Nature Chemical Biology. 14 (5), 431-441 (2018).</li>
<li>Paiva, S. -L., Crews, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeted+protein+degradation%3A+elements+of+PROTAC+design%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Chemical+Biology%22%5BJournal%5D)">Targeted protein degradation: elements of PROTAC design.</a> Current Opinion in Chemical Biology. 50, 111-119 (2019).</li>
<li>Hershko, A., Ciechanover, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ubiquitin+system%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Biochemistry%22%5BJournal%5D)">The ubiquitin system.</a> Annual Review of Biochemistry. 67, 425-479 (1998).</li>
<li>Chan, K. -H., Zengerle, M., Testa, A., Ciulli, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+target+warhead+and+linkage+vector+on+inducing+protein+degradation%3A+Comparison+of+bromodomain+and+extra-terminal+%28BET%29+degraders+derived+from+triazolodiazepine+%28JQ1%29+and+tetrahydroquinoline+%28I-BET726%29+BET+inhibitor+scaffolds%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Medicinal+Chemistry%22%5BJournal%5D)">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.</a> Journal of Medicinal Chemistry. 61 (2), 504-513 (2018).</li>
<li>Roy, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SPR-measured+dissociation+kinetics+of+PROTAC+ternary+complexes+influence+target+degradation+rate%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Chemical+Biology%22%5BJournal%5D)">SPR-measured dissociation kinetics of PROTAC ternary complexes influence target degradation rate.</a> ACS Chemical Biology. 14 (3), 361-368 (2019).</li>
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<li>Gadd, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+basis+of+PROTAC+cooperative+recognition+for+selective+protein+degradation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Chemical+Biology%22%5BJournal%5D)">Structural basis of PROTAC cooperative recognition for selective protein degradation.</a> Nature Chemical Biology. 13 (5), 514-521 (2017).</li>
<li>Nahta, R., Castellino, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phosphatase+magnesium-dependent+1+%CE%B4+%28PPM1D%29%2C+serine%2Fthreonine+protein+phosphatase+and+novel+pharmacological+target+in+cancer%5BTitle%5D)+AND+%22Biochemical+Pharmacology%22%5BJournal%5D)">Phosphatase magnesium-dependent 1 δ (PPM1D), serine/threonine protein phosphatase and novel pharmacological target in cancer.</a> Biochemical Pharmacology. 184, 114362(2021).</li>
<li>Douglass, E. F. Jr, Miller, C. J., Sparer, G., Shapiro, H., Spiegel, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comprehensive+mathematical+model+for+three-body+binding+equilibria%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">A comprehensive mathematical model for three-body binding equilibria.</a> Journal of the American Chemical Society. 135 (16), 6092-6099 (2013).</li>
<li>Zorba, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Delineating+the+role+of+cooperativity+in+the+design+of+potent+PROTACs+for+BTK%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Delineating the role of cooperativity in the design of potent PROTACs for BTK.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (31), E7285-E7292 (2018).</li>
<li>Fairhead, M., Howarth, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-specific+biotinylation+of+purified+proteins+using+BirA%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+in+Molecular+Biology%22%5BJournal%5D)">Site-specific biotinylation of purified proteins using BirA.</a> Methods in Molecular Biology. 1266, 171-184 (2015).</li>
<li>Nowak, R. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasticity+in+binding+confers+selectivity+in+ligand-induced+protein+degradation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Chemical+Biology%22%5BJournal%5D)">Plasticity in binding confers selectivity in ligand-induced protein degradation.</a> Nature Chemical Biology. 14 (7), 706-714 (2018).</li>
</ol>

作者无竞争性财务利益或其他利益冲突。

对PROTAC分子与其蛋白质结合伙伴之间的二元及三元相互作用进行生物物理表征，相较于广泛使用的细胞系统，可提供独特且互补的见解。了解PROTAC分子每个弹头与其相应蛋白质结合伙伴之间的亲和力，有助于指导药物化学研究，优化这些相互作用。先前发表的三元PROTAC复合物的晶体结构表明，连接链区域的原子可与一个或两个蛋白质结合伙伴形成相互作用16,20。通过实验确定三元复合物形成的协同性，可为连接链的优化提供支持。
本报告描述了三种不同的生物物理技术，这些技术可用于提供有关PROTAC分子与其蛋白质结合伴侣之间结合亲和力的信息。方法1详细介绍了针对PROTAC分子MZ1、VHL E3连接酶复合物以及Brd4的等温滴定 calorimetry（ITC）实验设置BD2 溴结构域。ITC 结果显示 KDMZ1与VHL之间的二元相互作用的解离常数为59 nM，VHL与预混合的MZ1和Brd4之间的三元相互作用的解离常数为4 nMBD2. 亲和力与 SPR 中观察到的结果一致（固定化的 VHL 与 MZ1 结合）D = 26 nM，固定化的VHL与预混合的MZ1和Brd4结合BD2 KD=1 nM）和BLI（KD= 2.8 nM）。尽管ITC KD VHL 与 MZ1 结合的结果与已报道的数值一致16，所得到的化学计量比存在差异。造成这一结果的可能原因之一是MZ1在本方案所使用的HEPES缓冲体系中溶解度较差，而文献中的结果是在Bis-tris缓冲体系中获得的。作者倾向于在表面等离子共振（SPR）、等温滴定量热法（ITC）和生物膜层干涉技术（BLI）中采用相同的缓冲体系组分。
方法2描述了固定化VHL、固定浓度的Brd4BD2与不同浓度MZ1之间相互作用的BLI分析实验设置。由于该技术的灵敏度限制，可获得三元复合物形成的KD、kon和koff值，但无法获得MZ1与蛋白质之间二元相互作用的相应参数。
方法3描述了多种表面等离子共振（SPR）检测。SPR比生物膜干涉技术（BLI）更灵敏，可用于检测蛋白质-小分子（二元）和蛋白质-蛋白质（三元）相互作用。在后一种情况下，应考虑背景信号&#160;应密切监测分析物中的蛋白质，因其可能导致信号过高且不稳定。表面等离子体共振（SPR）对具有高折射率的试剂非常敏感，包括DMSO、甘油和去污剂。如果蛋白质保存在含有甘油或去污剂的缓冲液中，则运行缓冲液必须含有相应浓度的这些成分。或者，可通过尺寸排阻色谱法在进行任何SPR实验前将其完全去除。应尽量使缓冲液与分析物样品之间的DMSO浓度保持一致。DMSO溶剂校正应按照制造商的说明进行。
步骤3.1中的方法描述了用于VHL-MZ1二元相互作用的表面等离子体共振（SPR）检测。方法3.2描述了VHL: MZ1: Brd4BD2三元复合物的SPR检测，其中VHL被固定，分析物为单独的Brd4BD2或MZ1:Brd4BD2复合物。在此系统中，Brd4BD2与VHL之间的相互作用可忽略不计。三元复合物的形成具有高度协同性（ɑ = 26）。三元复合物解离的解离速率常数为0.014 s-1，因此需采用单循环动力学检测。等温滴定量热法（ITC）的结果也显示三元复合物的形成具有高度协同性（ɑ=15）。步骤3.3、3.4和3.5中的SPR方法描述了用于评估PROTAC分子BRD-5110介导下CRBN与PPM1D之间复合物形成的检测方法。该PROTAC分子对CRBN的亲和力较弱（KD ~3 µM），而对PPM1D具有强亲和力（KD = 1–2 nM）。因此，CRBN的弱结合未达到饱和，导致出现观察到的&#34;钩状效应&#34;。尽管可通过提高实验中使用的DMSO浓度来增加配体的溶解度，但在这些情况下必须密切监测蛋白质稳定性，因为高浓度DMSO可能对其产生负面影响。此外，DMSO具有较高的溶解热，可能掩盖配体与蛋白质结合时产生的热效应。应确保注射器中的溶液与样品池中的溶液具有相同的DMSO浓度。作者建议将两种溶液使用相同的缓冲液进行透析处理。
根据本文所进行和报道的实验，提供了以下一般性建议和指导原则。当PROTAC分子与其蛋白结合伴侣之间的二元相互作用亲和力较强时（KD &#60;1 µM），表面等离子共振（SPR）可提供可靠且可重复的亲和力数据，并获得有关三元复合物形成的协同性的重要信息。当其中一个蛋白结合伴侣与PROTAC分子之间的二元相互作用亲和力较弱时（KD &#62;1 µM），则需要对实验方案进行调整。在这些情况下，采用分子模拟方法固定结合常数，并改变配体和分析物的浓度，可有效指导实验设计并帮助解释实验结果。等温滴定量热法（ITC）实验可提供结合化学计量比的重要信息，但相较于SPR和生物膜干涉技术（BLI），需要消耗更多的蛋白和化合物试剂。此外，PROTAC分子的溶解度可能限制ITC实验的可行性。BLI的通量高于ITC，且所需蛋白和化合物试剂更少。然而，由于灵敏度的限制，BLI仅可用于评估三元复合物的形成，而不能用于检测PROTAC分子与其蛋白结合伴侣之间的二元相互作用。建议将SPR用于常规的二元和三元PROTAC结合实验检测，而BLI和ITC实验则用于对SPR结果进行正交验证。

细胞内蛋白质的多聚泛素化是一个受到严密调控的过程，涉及泛素连接酶家族的多种酶1,2。该通路中的终末酶是E3泛素连接酶，可将泛素分子共价连接至其蛋白质结合伴侣3。这些蛋白质结合伴侣的多聚泛素化修饰使其被蛋白酶体识别并进行蛋白水解降解4。该系统属于蛋白质稳态调控机制的一部分，目前已在治疗上被用于诱导与疾病相关蛋白的降解5。其中，能够诱导E3泛素连接酶（如Von Hippel-Lindau E3连接酶（VHL）或cereblon（CRBN））与靶蛋白相互作用的小分子，通常由一个结合E3泛素连接酶的弹头基团，通过柔性连接链与另一个结合靶蛋白的弹头基团相连构成。这类异源双功能分子通常被称为蛋白水解靶向嵌合体（proteolysis targeting chimeras），即PROTACs6。
PROTAC 分子的开发涉及评估其在细胞中诱导蛋白质降解的能力。目前已开发出多种细胞检测系统，用于监测在 PROTAC 分子处理细胞后，目标蛋白与 E3 连接酶组分（如 VHL 或 CRBN）之间诱导形成的相互作用。其中一种细胞检测方法是纳米荧光素酶-HaloTag 系统7，该系统包含与 HaloTag 受体融合的 E3 连接酶，以及带有纳米荧光素酶供体标记的目标蛋白。三元复合物的形成使纳米荧光素酶供体与 HaloTag 受体相互靠近，从而实现能量从供体向受体的转移，并产生发光信号。该系统的多种变体可用于评估 PROTAC 分子的细胞通透性8，或目标蛋白泛素化水平的相对变化9。尽管这些细胞系统对于推动 PROTAC 的优化至关重要，但 E3 连接酶与待降解蛋白之间的复合物形成是一个多步骤过程10,11。其中涉及的二元和三元相互作用的动力学与热力学特性，共同影响着蛋白质泛素化的效率及其最终的降解效果12,13,14。
本文描述了可用于通过表面等离子共振（SPR）、生物膜层干涉技术（BLI）和等温滴定 calorimetry（ITC）对 PROTAC 诱导的三元复合物形成的生物物理特性进行表征的实验方案。其中包括针对 MZ1 PROTAC 分子的 SPR 和 ITC 实验方案，该分子可诱导 Brd4 之间的三元复合物形成BD2 以及来自文献报道的VHL13,15 并在此描述的研究能够通过对接实验方案进行部分修改，重现已报道的结果，相关修改内容将在下文讨论。以下描述了一种生物发光成像（BLI）检测方法，用于评估 MZI、Brd4 之间三元复合物的形成BD2，且本报告中包含了VHL。BLI测得的亲和力数据与SPR和ITC实验中观察到的结果一致。此前已发表的一项协议中，开发了SPR检测方法用于评估PROTAC诱导的PPM1D（一种丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶，其表达受p53依赖性机制调控）与VHL之间的三元复合物形成16，同时对CRBN也有描述。在此情况下，该PROTAC分子对PPM1D具有纳摩尔级亲和力，而对CRBN仅具有微摩尔级亲和力。因此，PROTAC分子与CRBN的结合无法达到饱和，导致通常观察到的现象 &#34;钩状效应&#34;钩端效应是三元体系的一种特性，其中两种组分在同时与一个桥接分子结合时，可形成异源三聚体复合物。图1)17钩效应在桥接物种相对于另外两种物种浓度过高时被观察到。此时，二元相互作用会胜过三元相互作用。出现钩效应的系统需要在本报告中讨论的特定实验设计考量。本文提供了利用生物物理检测评估PROTAC诱导的三元复合物形成的通用概念及试剂要求。

<table><tbody><tr><td>96孔板</td><td>Greiner</td><td>655076</td><td>平底黑色板，用于BLI实验</td></tr><tr><td>96孔板</td><td>Nunc</td><td>73520-120</td><td>用于ITC样品制备的板</td></tr><tr><td>96孔板</td><td>Greiner</td><td>650101</td><td>用于制备SPR实验样品的板</td></tr><tr><td>Auto iTC200微热量计</td><td>Malvern Panalytical</td><td></td><td>用于进行ITC实验的仪器。该产品已停产。</td></tr><tr><td>Biacore S200</td><td>Cytiva</td><td>29136649</td><td>用于进行SPR实验的仪器</td></tr><tr><td>MZ1</td><td>ProbeChem</td><td>PC-60099</td><td>可结合VHL和Brd4BD2的PROTAC</td></tr><tr><td>NTA传感器芯片</td><td>Cytiva</td><td>BR100532</td><td>用于涉及PPM1D的SPR实验的SPR芯片</td></tr><tr><td>Octet Red-384</td><td>Sartorius</td><td></td><td>用于进行BLI实验的仪器。该产品已停产。</td></tr><tr><td>板盖</td><td>Malvern</td><td>PQA0001</td><td>Nunc 96孔板（73520-120）的盖子</td></tr><tr><td>板盖</td><td>Cytiva</td><td>28975816</td><td>Greiner板（650101）的板盖</td></tr><tr><td>Series S SA传感器芯片</td><td>Cytiva</td><td>BR100531</td><td>用于涉及MZ1:VHL:BRD4的SPR实验的SPR芯片</td></tr><tr><td>链霉亲和素（SA）浸入式读取生物传感器</td><td>Sartorius</td><td>18-509</td><td>BLI实验中使用的涂层传感器</td></tr></tbody></table>

蛋白水解靶向嵌合体（protacs）诱导三元复合物形成的生物物理检测方法的开发与应用

The Development and Application of Biophysical Assays for Evaluating Ternary Complex Formation Induced by Proteolysis Targeting Chimeras (PROTACS)

E3 连接酶与靶向降解的蛋白质可通过异双功能分子在多步过程中被诱导形成复合物。所涉及相互作用的动力学和热力学特性会影响泛素化效率及靶蛋白的最终降解效果。表面等离子共振（SPR）、生物膜干涉技术（BLI）和等温滴定 calorimetry（ITC）等生物物理技术可提供有价值的信息，用于优化这些相互作用。本研究利用两个模型系统，建立了一套生物物理检测工具包，用于理解三元复合物形成的协同性以及“钩状效应”对结合动力学的影响。在第一个案例中，评估了一种诱导 Brd4BD2 与 VHL 之间形成三元复合物的蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）分子。该异双功能分子 MZ1 对 Brd4BD2 蛋白（SPR KD = 1 nM，ITC KD = 4 nM）和 VHL 复合物（SPR KD = 29 nM，ITC KD = 66 nM）均具有纳摩尔（nM）级亲和力。针对该系统，开发了稳健的 SPR、BLI 和 ITC 检测方法，成功重现了已发表的结果，证实了三元复合物形成的协同效应。在第二个案例中，研究了一种可诱导 46.0 kDa 蛋白 PPM1D 与 cereblon [CRBN (319-442)] 形成三元复合物的分子。该异双功能分子 BRD-5110 对 PPM1D 的 SPR KD 为 1 nM，但对截短型 CRBN (319-442) 复合物的结合弱得多（SPR KD ≈ 3 µM）。在此情况下，SPR 检测中 CRBN 的结合未达到饱和，出现了&#34;钩状效应&#34;。本研究还评估了 SPR、BLI 和 ITC 在通量和试剂消耗方面的需求，并为这些技术在 PROTAC 项目中的应用提供了通用建议。

VHL:MZ1 二元复合物以及 VHL:MZ1:Brd4BD2 三元复合物的表征结果见图2（ITC）、图3（BLI）和图4（SPR），实验使用了非常相似的缓冲体系。从正交实验中获得的KD值具有一致性。协同性可通过KD（二元复合物）/KD（三元复合物）计算得出，结果为高度正值（ITC测得为15，SPR测得为26）。
通过表面等离子体共振（SPR）对CRBN:PROTAC:PPM1D体系进行了表征图5A-D）。为促进三元复合物形成的观察，将CRBN固定至约35 RU水平。单独PROTAC的结合产生了一个信号 &lt;2 RU，低于噪声水平。分析物中的PPM1D在SA芯片表面产生较高的背景信号，可施加的最高浓度约为 1 µM。该值低于 KD CRBN 与其弹头之间的距离 ≥3 µM因此预计会出现“钩状效应”。表面等离子体共振（SPR）的灵敏度足以检测该效应，且与模拟结果吻合良好。图5E）。模拟使用 非合作的 文献中的平衡19 结合经典的 SPR 计算 [响应最大值 = （响应配体 × 质量固定化)/质量配体]. 由于 KD 由于该化合物在高浓度下不溶，CRBN与化合物之间的结合常数（KD）无法准确测定，因此模拟采用了四个假设的KD值： 1 µM, 3 µM, 10 µM，或 30 µM实验结果介于模拟结果之间 3 µM 和 10 µM 曲线，与 K 几乎完全相同D 在二元系统中，表明不存在协同性。
<img alt="蛋白质-配体结合示意图；KD 二元、三元；协同性分析；钩状效应图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65718/65718fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 1"> 
图1：三种结合情形的示意图及不同KD的定义。（A）经典的双组分系统。（B）三组分系统，其中PROTAC的一端可被饱和，因此可作为双组分系统进行评估。（C）观察到“钩状效应”的三组分系统。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65718/65718fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示 MZ1 结合亲和力和热力学的等温滴定微量热法图谱。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65718/65718fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：ITC 实验结果。 将 VHL 滴定至 MZ1（左图）或 MZ1:Brd4BD2 复合物（右图）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65718/65718fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看本图的放大版本。</a>
<img alt="传感器响应图；动力学分析，解离常数，K&lt;sub&gt;D&lt;/sub&gt;=2.9 nM；图表比较。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65718/65718fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：BLI 结果。 MZ1 介导 VHL: MZ1: Brd4 的形成BD2 三元复合物。A) 原始数据。B）[MZ1] = 0 时背景信号的扣除。C) 对 B 进行动力学拟合以提取 k在, k关闭，以及 KD. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65718/65718fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="表面等离子共振数据分析，KD 测定，平衡结合，动力学速率，图示。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65718/65718fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 4"> 
图 4：SPR 结果。（A）MZ1 与 VHL 的结合。（B）MZ1:Brd4BD2 二元复合物与 VHL 的结合。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65718/65718fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="结合亲和力分析图表；图中显示化合物响应（RU）与浓度和时间的关系。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65718/65718fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5"> 
图 5：SPR 结果显示一种代表性 PPM1D-PROTAC 的“钩状效应”。 在所有情况下，CRBN 被固定在 SA 芯片表面，而 [PPM1D] 在分析物中保持 1 µM 浓度。(A) BRD-2512 是一种仅与 CRBN 结合的化合物，几乎无响应信号。(B) BRD-4761 是一种仅与 PPM1D 结合的化合物，同样无响应信号。(C,D) BRD-5110 是一种 PROTAC，其 CRBN 靶向头基来自 BRD-2512，PPM1D 靶向头基来自 BRD-4761，可诱导形成三元复合物。(E) 假设 CRBN 与化合物之间的 KD 分别为 1 µM（黑色）、3 µM（蓝色）、10 µM（红色）或 30 µM（绿色）时，对 SPR 结果的模拟图。BRD-2512 曲线位于 3 µM 与 10 µM 之间，接近实测的二元 KD 值，表明无协同效应（协同系数 = 1）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65718/65718fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本文描述了靶向蛋白降解嵌合体（PROTACs）诱导形成三元复合物的生物物理表征方案，其中涉及泛素连接酶Von Hippel-Lindau E3连接酶（VHL）和Cereblon（CRBN）。本文所展示的生物物理方法包括表面等离子共振（SPR）、生物膜干涉技术（BLI）以及等温滴定 calorimetry（ITC）。

蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs）诱导三元复合物形成的生物物理检测方法的开发与应用

E3连接酶和被靶向降解的蛋白质可通过异源双功能分子在多步过程中被诱导形成复合物。其动力学……

我们的研究重点是复制已建立的模型系统，通过额外的检测方法对其进行验证，并将这些方法学调整以适应我们特定的研究背景。我们旨在展示一种可广泛应用于各类项目的通用性方法。当前的实验挑战在于，如何根据项目的具体需求以及现有知识的空白，策略性地选择合适的检测形式和实验条件。这对于在实验中获得高效且准确的结果至关重要。我们的实验方案为各种PROTACs系统的无缝适配提供了简化的操作流程。此外，我们对每种方法进行了全面评估，详细阐述了各自的优势与局限性。我们将根据具体条件提供选择最适格式的指导建议。首先，准备用于细胞、注射器以及清洗的溶液。将蛋白质或缓冲液样品依次加入96孔板中的三个连续孔中。现在，相应加入100% DMSO，使终浓度为2%。在微量热仪上进行全部四次滴定。每次滴定应包括一次初始注射：以每秒2微升的速度注入0.4微升蛋白质溶液，随后进行19次注射，每次以每秒2微升的速度注入2微升的注射器溶液，间隔122秒，共20次注射。所有实验均在25°C下进行，搅拌速度为600 RPM。进行数据分析时，将数据拟合至单结合位点模型，以获得结合的化学计量比、解离常数以及结合焓。对VHL-MZ1二元复合物及VHL-MZ1-Brd4三元复合物进行了表征，观察到正协同效应。在室温下使用链霉亲和素包被的传感器开始生物膜层干涉技术（BLI）实验。确保传感器静止排列成单行。将200 µL样品加入孔中。接下来，将传感器浸入含有VHL的溶液中80秒，使传感器负载达到1-3纳米。随后，将传感器浸入缓冲液中60秒，以建立第一段基线期。在固定化阶段，将传感器浸入VHL蛋白溶液中80秒。然后，再次浸入缓冲液中60秒，以建立第二个基线阶段。接着，浸入固定浓度的以下注射液中300秒。最后，将传感器再次浸入缓冲液中600秒，以建立解离阶段。使用仪器软件分析数据，并估算结合速率、解离速率以及平衡解离常数。对VHL-MZ1二元复合物及VHL-MZ1-Brd4三元复合物进行了表征。研究发现MZ1可介导三元复合物的形成。为进行VHL MZ1相互作用的表面等离子共振（SPR）实验，首先根据制造商说明书活化链霉亲和素芯片。配制最高浓度溶液时，向MZ1中加入无DMSO的缓冲液，以确保DMSO终浓度为2%。随后，将50微升最高浓度溶液移入含有100微升运行缓冲液的孔中。充分混匀，以配制第二高浓度的溶液。然后取50 µL该溶液加入到下一管含100 µL运行缓冲液的离心管中。充分混匀，以制备第三高浓度的溶液，依此类推。使用与聚丙烯微孔板兼容的自粘性透明塑料膜覆盖微孔板。采用多循环模式启动表面等离子体共振（SPR）检测。将检测模式设为高性能，接触时间为120秒，解离时间为300秒，流速为50微升每分钟。使用仪器制造商提供的评估软件执行数据分析。为进行VHL MZ1 Brd4三元复合物的表面等离子体共振（SPR）实验，首先激活链霉亲和素，然后注入VHL溶液，使其固定化至约100共振单位。对于仅使用 Brd4 的阴性对照，用 200 微升的运行缓冲液配制最高浓度为 25 微摩尔的溶液。向接下来的四个孔中各加入 160 微升浓度为 2 微摩尔的 Brd4。从第 A5 孔转移 40 微升至第 A4 孔，然后用移液器反复吹打混匀。类似地，从 A4 孔转移 40 微升至 A3 孔，并继续此操作直至 A1 孔。为形成 MZ1 与 Brd4 的三元复合物，用移液器吸取 196 微升浓度为 25.5 微摩尔的 Brd4 溶液，向其中加入 4 微升用 100% DMSO 溶液配制的 20 微摩尔 MZ1。再用移液器将 160 微升浓度为 2 微摩尔的 Brd4 运行缓冲液加入左侧接下来的四个孔中。接下来，从B5孔转移40微升至B4孔，并用移液器充分混匀。继续将溶液从每一孔依次转移，直至B1孔。现在运行SPR单循环实验，接触时间为100秒，解离时间为720秒，流速为50微升/分钟。随后对VHL-MZ1二元复合物以及VHL-MZ1-Brd4三元复合物进行了表征。观察到正协同效应。使用表面等离子共振（SPR）对cereblon、PROTAC和PPM1D系统进行了表征。PPM1D实验采用镍NTA芯片，每次化合物注射后均对芯片表面进行再生。BRD-2512 仅与cereblon结合，BRD-4761 仅与PPM1D结合，二者均表现出可忽略的结合反应。BRD-5110 可诱导PPM1D形成三元复合物，并在高化合物浓度下呈现钩状效应。

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