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Der gezielte Proteinabbau hat sich zu einem der am schnellsten wachsenden Bereiche in der Entdeckung niedermolekularer Wirkstoffe entwickelt, was durch den therapeutischen Erfolg immunmodulatorischer molekularer Klebstoffverbindungen (z. B. IMiD) zur Krebsbehandlung und vielversprechende frühe klinische Studiendaten von Proteolysis Targeting Chimera-Verbindungen 1,2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12. Gezielte Proteinabbauverbindungen wirken, indem sie ein Zielprotein mit E3-Ligase-Maschinenproteinen in die Nähe bringen 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . Diese verbindungsinduzierte Rekrutierung des Zielproteins an die E3-Ligase führt zur Ubiquitinierung und zum Abbau des Zielproteins über den Ubiquitin-Proteasomenweg (UPP)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 . In der Vergangenheit stützten sich niedermolekulare Wirkstoffforschungsprogramme auf erste biochemische Assays, um die Aktivität zu bewerten und Verbindungen in die Rangordnung zu ordnen. Dies stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung für gezielte Proteinabbauer dar, deren endgültige Aktivität, der Abbau über das Proteasom, von einer Kaskade zellulärer Ereignisse abhängt 1,2,4,5,6,11,12,13,14,15,16,17, 18. Die vielfältigen Signalwege und die Komplexität von Proteinkomplexen, die für den erfolgreichen Zielabbau erforderlich sind, erfordern zelluläre Assay-Ansätze für ein frühzeitiges Screening und Triaging erster Verbindungen. Derzeit mangelt es an Technologien zur Überwachung des Zielproteinabbaus im Hochdurchsatz im Kontext der zellulären Umgebung14. Hier werden wir Protokolle für die Echtzeitbewertung der kinetischen Lebendzell- oder Endpunkt-lytischen Abbauaktivität unter Verwendung von CRISPR/Cas9 endogen markierten HiBiT-Zielzelllinien 18,19,20 vorstellen, um den Verlust des Zielproteins durch Lumineszenzmessung nach Behandlung mit den Degradierverbindungen10,11,18,19 zu überwachen.
Um einen erfolgreichen Abbau therapeutischer Ziele zu erreichen und das medikamentöse Proteom zu erweitern, haben sich zahlreiche Ansätze und Arten von Degradern herausgebildet, die auf eine breite Palette von Proteinen zur Zerstörung abzielen können, einschließlich solcher, die an oder in der Plasmamembran, Lysosomen, mitochondrialen Membranen, Zytoplasma und dem Zellkernlokalisiert sind 21–57. Die beiden Hauptklassen von Verbindungen, die am ausführlichsten untersucht wurden, sind molekulare Klebstoffe und Proteine, die auf Cimeras 2,4,5,6,7,12,26 abzielen. Molekulare Klebstoffe sind monovalent, daher typischerweise kleiner und ermöglichen eine neuartige Protein-Protein-Interaktionsschnittstelle mit einem Zielprotein bei Bindung an eine E3-Ligasekomponente 2,12,26. Sie sind am häufigsten Degrader, die an die Cereblon (CRBN) E3-Ligasekomponente 2,12,26,55,56,57 binden. In jüngster Zeit zeigen aufregende neue Beispiele, die andere E3-Ligasemaschinen wie DCAF15 58,59,60 und CDK/Cyclin-Rekrutierung auf DDB145 verwenden, das Potenzial für die Erweiterung dieser Klasse von Verbindungen. Im Gegensatz dazu sind PROTACs größere, bivalente Moleküle, bestehend aus einem Zielbindungsliganden, meistens einem Inhibitor, der über einen chemischen Linker zu einem E3-Ligasengriff 1,3,4,5,7,13 überbrückt wird. Als solche sind diese Verbindungen in der Lage, direkt sowohl an die E3-Ligase als auch an das Zielprotein 1,3,4,5,7,13 zu binden. Es wurde gezeigt, dass zahlreiche Proteine über diese bivalenten Moleküle abgebaut werden, und die am häufigsten verwendeten E3-Ligasengriffe rekrutieren entweder CRBN oder Von Hippel Lindau (VHL)1,3,4,5,7,13. Die Anzahl der verfügbaren Griffe für die E3-Ligase-Rekrutierung in Chimären, die auf das Proteolysedesign abzielen, wächst jedoch schnell und erweitert die Fähigkeiten dieser Klasse von Verbindungen mit dem Potenzial, verschiedene Zielklassen abzubauen und die Zell- oder Gewebetypspezifität zu verbessern 24,48,61,62 . In Kombination mit der minimalen Anforderung, ein Zielprotein zu aktivieren, selbst mit marginaler Affinität, versprechen Abbauverbindungen die Erweiterung des medikamentösen Proteoms.
Die Charakterisierung der zellulären Dynamik des Proteinverlusts sowie der potenziellen Proteinrückgewinnung nach der Behandlung ist entscheidend für das Verständnis der Funktion und Wirksamkeit von Abbauverbindungen. Während es möglich ist, endogene Proteinspiegeländerungen in relevanten zellulären Systemen mit Western-Blot-Antikörper-Assays oder Massenspektrometrie zu untersuchen, sind diese Ansätze schwer an Hochdurchsatz-Screening-Formate anzupassen, haben eine begrenzte Quantifizierungsfähigkeit oder die Fähigkeit, kinetische Veränderungen zu vielen Zeitpunkten zu messen14. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben wir ein plattenbasiertes zelluläres Lumineszenzsystem zur Überwachung von Veränderungen der endogenen Proteinspiegel entwickelt, das genomische Insertion über CRISPR / Cas9 des 11-Aminosäuren-Tags HiBiT in die Loci eines wichtigen Abbauziels18,19,20 nutzt. Dieses Peptid ergänzt sich mit hoher Affinität zu seinem Bindungspartner LgBiT, um in Gegenwart seines Substrats 18,19,20,63 helle Lumineszenz zu erzeugen, wodurch diese markierten endogenen Proteine in Zellen oder Lysaten leuchten18,19,20,63 . Die mit einem Luminometer gemessenen relativen Lichteinheiten (RLUs) sind direkt proportional zu den markierten Zielproteinspiegeln 18,19,20,63. Mit der Entwicklung stabilisierter Luciferase-Substrate sind kinetische Proteinspiegelmessungen in Echtzeit über 24-48 h Zeiträume möglich 18,53,64. Dies ermöglicht die Bestimmung eines vollständigen Abbauprofils für jedes gegebene Ziel bei jeder gegebenen Verbindungskonzentration, einschließlich der quantitativen Analyse der anfänglichen Abbaurate, des Abbaumaximums (Dmax) und der Wiederfindung nach der Behandlung von Verbindungen18,53. Beim Screening großer Bibliotheken von Abbausubstanzen kann die Endpunktanalyse jedoch auch problemlos im 384-Well-Format bei verschiedenen Wirkstoffkonzentrationen und bestimmten Zeitpunkten durchgeführt werden.
Die in diesem Manuskript vorgestellten Protokolle stellen zelluläre Screening-Strategien für gezielte Proteinabbauverbindungen dar, die für alle Arten von Degradern anwendbar sind. Die Verwendung von HiBiT-CRISPR-Zelllinien zusammen mit diesen Protokollen ist jedoch nicht auf den Proteinabbau beschränkt, sondern sie sind allgemeine Werkzeuge zur Überwachung eines endogenen Zielproteinspiegels, der nach der Behandlung moduliert werden könnte, um den Einfluss von Verbindungen oder sogar Resistenzmechanismen zu untersuchen 20,65,66. Eine Voraussetzung für diese lumineszenzbasierten Detektionsmethoden ist eine CRISPR-endogen markierte HiBiT-Zielzelllinie, die entscheidend ist, da sie eine empfindliche Lumineszenzdetektion ermöglicht und gleichzeitig die endogene Zielexpression und die native Promotorregulation18,19,20 beibehält. Signifikante Fortschritte wurden bei der Verwendung von CRISRP/Cas9 für das Einfügen genomischer Tags erzielt, insbesondere in Bezug auf die Skalierbarkeit 20 und mit der hohen Empfindlichkeit der Detektion in verschiedenen Formaten, einschließlich CRISPR-Pools oder Klonen mit heterozygoten oder homozygoten allelischen Insertionen18,19,20. Die Verwendung der exogenen Expression von HiBiT oder anderer Reporterfusionen in Zellen anstelle einer endogenen Markierung ist möglich, aber bei Systemen mit Proteinüberexpression14,18 ist erhebliche Vorsicht geboten. Diese können zu Artefakten im Verständnis der wahren Wirkstoffpotenz und Proteinwiederherstellungsdynamikführen 14,18, einschließlich potenzieller transkriptioneller Rückkopplungsschleifen, die nach dem Abbau des Ziels aktiviert werden. Darüber hinaus könnten Verbindungen im Frühstadium mit geringer Potenz übersehen werden und sich im Screening als falsch negativ darstellen. Da Proteinverlust durch verbindungsinduzierte Toxizität und Zelltod entstehen könnte, enthalten die hier beschriebenen Protokolle dringend empfohlene, aber optionale Zelllebensfähigkeits-Lumineszenz- oder Fluoreszenzassays gepaart mit dem Abbauprotokoll. Das Protokoll besteht aus zwei Hauptabschnitten, dem lytischen Endpunkt und dem kinetischen Screening lebender Zellen. In jedem dieser Abschnitte sind Optionen für Multiplex-Zelllebensfähigkeitsmessungen in Endpunkt- oder kinetischen Formaten enthalten. Die Überwachung der Veränderungen des markierten endogenen Proteins erfordert eine Ergänzung mit LgBiT in Zellen. Daher verweist die kinetische Screening-Sektion auf wichtige Protokolle für die Einführung dieser, die durch transiente oder stabile Expression erreicht werden können und für die Durchführung der Lebendzelllumineszenzmessungen unerlässlich sind. Alle hier vorgestellten Ansätze ermöglichen eine schnelle Rangordnung und Aktivitätsbewertung von Verbindungen, was ein frühes Screening von Verbindungen und eine schnellere Identifizierung von Bleiabbauern ermöglicht.
Dieses Protokoll ist für die Untersuchung von Abbauverbindungen in Verbindung mit einer HiBiT-CRISPR-Zelllinie konzipiert. Protokolle für die Erzeugung von HiBiT-CRISPR-Insertionen für zahlreiche Ziele wurden in mehreren neueren Publikationen 18,19,20 beschrieben.