当PROTAC遇到D.S.Goodsell
前文《生命之美---David S.Goodsell的手绘细胞水彩画》为大家介绍了Scripps研究所David S.Goodsell教授的手绘水彩画。Goodsell教授用淡水彩的笔触,为大家展现了一个色彩斑斓的微观世界,令人惊叹(参见Goodsell教授网站http://mgl.scripps.edu/people/goodsell/)。


图1. ATP合成酶(分子尺度的发动机)
临渊羡鱼之余,心向退而结网。今天,趁着国庆假期,我们一起来探索一下当PROTAC与Goodsell水彩画邂逅,又会产生如何的火花。
首先来介绍一下PROTAC。PROTAC (proteolysis-targeting chimeras)技术源自于人们对于细胞内的“清洁工”——泛素-蛋白酶体系统的研究。正常组织中,泛素-蛋白酶体系统负责清理细胞中无用或者有害的蛋白,被泛素标记的蛋白进入蛋白酶体被降解较小的多肽、氨基酸以及可以重复使用的泛素,这种像标签一样的泛素(ubiquitin,Ub)也被形象地称为“死神之吻”,研究发现,参与降解过程的酶包括泛素活化酶(E1),泛素结合酶(E2)、泛素连结酶(E3)等。2004年,阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科、欧文·罗斯因发现了泛素调解的蛋白质降解过程而获得了诺贝尔化学奖。
药物研究人员设想,如果能激活泛素-蛋白酶体系统,特异性地清理致癌蛋白,就有望恢复细胞内的蛋白质稳态,阻止癌症的发生和发展。在这样的假设下,PROTAC技术也应运而生。如图2所示,简而言之,人们利用双功能小分子(degrader,紫红色分子)与靶向目标蛋白(绿色)与E3连结酶(蓝色)的双亲结合性质,通过小分子的媒介,使得连接有泛素Ub的泛素结合酶(E2)与目标蛋白空间接近,进而将泛素(黄色)标记到目标蛋白上。多轮泛素化修饰后,目标蛋白被转运至蛋白酶体(红色)被降解,从而使该蛋白在细胞内的含量降低,阻止其参与进一步的生物学过程。作为一种与传统药物“占据抑制”相区别的理念,PROTAC技术代表了一个方兴未艾的热门研究领域,有望为未来疾病治疗提供一条崭新的途径。

图2. PROTAC介导的蛋白降解的发生过程(http://www.kymeratx.com/)
背景知识介绍到此。那么如何绘制一幅Goodsell风的PROTAC示意图呢?以Goodsell的作品为师,下面我们就一步步开始探索吧:
Step:1 资料阅读。科学的严谨性无容置疑是科学可视化最为重要的一条。今天我们所想要表现的PROTAC复合物由E2-泛素复合物、E3(VHL-EloC-EloB-Cul2)复合物和降解目标蛋白Brd4组成,PROTAC小分子MZ1结合于VHL和Brd4之间(Structure, 2017, 25:901–911;NatureChemical Biology, 2017, 13(5):514)。
为了解细胞每种组成成分的真实准确形态,我们需要通过阅读文献资料和观察大分子的X晶体结构,理解PROTAC复合物各组成的空间组合结构。因为目前尚没有完整PROTAC复合物的晶体信息,故我们还需要将各部分晶体在pymol中叠加组合,形成PROTAC复合物的完整形象。

图3. E3(VHL-EloC-EloB-Cul2)-Brd4复合物及E2-泛素复合物。

图4. 小分子MZ1与VHL和Brd4的相互作用。
Step:2 手绘线稿。按照蛋白质表面轮廓绘制线稿。同时,我们将PROTAC小分子在VHL和降解目标蛋白Brd4之间的界面予以特写展示。

Step:3 水彩着色。对复合物各部分选择合宜的颜色。

水彩的透明感是水彩画的特点,因此着色也要从淡色调开始,通过多次堆叠,表现光影效果与浓淡变化。

将蛋白质中的重原子(氧原子、氮原子等)用更深的颜色绘出。


Step:4 墨笔勾线。用细中性笔绘出复合物轮廓。

Step:5 绘制图示。标示复合物各部分的名称。

When PROTAC met Goodsell,一幅Goodsell风格的PROTAC水彩画就诞生了!图中E3复合物由VHL(紫色)-EloC(橙色)-EloB(草绿色)-Cul2(蓝色)组成,小分子MZ1结合于VHL和Brd4(红色)之间,光晕则表现E2(绿色)将泛素(藤黄色)转移到降解蛋白Brd4之上。
通过数天亲测,真心感觉Goodsell作画的不易和付出,绝非简单绘制一幅淡水彩画那么简单,需要付出大量的辛苦和艺术创造来保证其科学性和艺术性。而Goodsell教授在科学研究之余,坚持更新PDB数据库(www.rcsb.org)月度专栏“Molecule of the Month”,更有多本绘画合集出版。令人不觉心生敬意!
好了,国庆假满,相信大家都满满收获。又是工作日,努力工作,加油!

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