ABSTRACT
Targeted protein degradation (TPD), discovered twenty years ago through the PROTAC technology, is rapidly developing thanks to the implication of many scientists from industry and academia. PROTAC chimeras are heterobifunctional molecules able to link simultaneously a protein to be degraded and an E3 ubiquitin ligase. This allows the protein ubiquitination and its degradation by 26S proteasome. PROTACs have evolved from small peptide molecules to small non-peptide and orally available molecules. It was shown that PROTACs are capable to degrade proteins considered as "undruggable" i.e. devoid of well-defined pockets and deep grooves possibly occupied by small molecules. Among these "hard to drug" proteins, several can be degraded by PROTACs: scaffold proteins, BAF complex, transcription factors, Ras family proteins. Two PROTACs are clinically tested for breast (ARV471) and prostate (ARV110) cancers. The protein degradation by proteasome is also induced by other types of molecules: molecular glues, hydrophobic tagging (HyT), HaloPROTACs and homo-PROTACs. Other cellular constituents are eligible to induced degradation: RNA-PROTACs for RNA binding proteins and RIBOTACs for degradation of RNA itself (SARS-CoV-2 RNA). TPD has recently moved beyond the proteasome with LYTACs (lysosome targeting chimeras) and MADTACs (macroautophagy degradation targeting chimeras). Several techniques such as screening platforms together with mathematical modeling and computational design are now used to improve the discovery of new efficient PROTACs.
TITLE: Dégradation induite des protéines par des molécules PROTAC et stratégies apparentées : développements à visée thérapeutique. ABSTRACT: Alors que, pour la plupart, les médicaments actuels sont de petites molécules inhibant l'action d'une protéine en bloquant un site d'interaction, la dégradation ciblée des protéines, découverte il y a une vingtaine d'années via les petites molécules PROTAC, connaît aujourd'hui un très grand développement, aussi bien au niveau universitaire qu'industriel. Cette dégradation ciblée permet de contrôler la concentration intracellulaire d'une protéine spécifique comme peuvent le faire les techniques basées sur les acides nucléiques (oligonucléotides antisens, ARNsi, CRISPR-Cas9). Les molécules PROTAC sont des chimères hétéro-bifonctionnelles capables de lier simultanément une protéine spécifique devant être dégradée et une E3 ubiquitine ligase. Les PROTAC sont donc capables de provoquer l'ubiquitinylation de la protéine ciblée et sa dégradation par le protéasome 26S. De nature peptidique, puis non peptidique, les PROTAC sont maintenant administrables par voie orale. Ce détournement du système ubiquitine protéasome permet aux molécules PROTAC d'élargir considérablement le champ des applications thérapeutiques puisque l'élimination de protéines dépourvues de poches ou de crevasses bien définies, dites difficiles à cibler, devient possible. Cette technologie versatile a conduit à la dégradation d'une grande variété de protéines comme des facteurs de transcription, des sérine/thréonine/tyrosine kinases, des protéines de structure, des protéines cytosoliques, des lecteurs épigénétiques. Certaines ligases telles que VHL, MDM2, cereblon et IAP sont couramment utilisées pour être recrutées par les PROTAC. Actuellement, le nombre de ligases pouvant être utilisées ainsi que la nature des protéines dégradées sont en constante augmentation. Deux PROTAC sont en étude clinique pour les cancers du sein (ARV471) et de la prostate (ARV110). La dégradation spécifique d'une protéine par le protéasome peut aussi être induite par d'autres types de molécules synthétiques : colles moléculaires, marqueurs hydrophobes, HaloPROTAC, homo-PROTAC. D'autres constituants cellulaires sont aussi éligibles à une dégradation induite : ARN-PROTAC pour les protéines se liant à l'ARN et RIBOTAC pour la dégradation de l'ARN lui-même comme celui du SARS-CoV-2. Des dégradations induites en dehors du protéasome sont aussi connues : LYTAC, pour des chimères détournant la dégradation de protéines extracellulaires vers les lysosomes, et MADTAC, pour des chimères détournant la dégradation par macroautophagie. Plusieurs techniques, en particulier des plates-formes de criblage, la modélisation mathématique et la conception computationnelle sont utilisées pour le développement de nouveaux PROTAC efficaces.
Subject(s)
COVID-19 Drug Treatment , Drug Design , Molecular Targeted Therapy/methods , Proteolysis , Recombinant Fusion Proteins/pharmacology , SARS-CoV-2/drug effects , Antineoplastic Agents/chemistry , Antineoplastic Agents/pharmacology , Autophagy , Catalysis , Humans , Lysosomes/metabolism , Neoplasm Proteins/antagonists & inhibitors , Neoplasms/drug therapy , Proteasome Endopeptidase Complex/metabolism , Protein Conformation , Protein Processing, Post-Translational/drug effects , Protein Stability , Proteolysis/drug effects , RNA/drug effects , RNA-Binding Proteins/antagonists & inhibitors , Recombinant Fusion Proteins/chemistry , Recombinant Fusion Proteins/pharmacokinetics , Structure-Activity Relationship , Ubiquitin-Protein Ligases/metabolism , UbiquitinationABSTRACT
Thymosin α1 (Tα1) is an immunostimulatory peptide for the treatment of hepatitis B virus (HBV) and hepatitis C virus (HCV) infections and used as an immune enhancer, which also offers prospects in the context of COVID-19 infections and cancer. Manufacturing of this N-terminally acetylated 28-residue peptide is demanding, and its short plasma half-life limits in vivo efficacy and requires frequent dosing. Here, we combined the PASylation technology with enzymatic in situ N-acetylation by RimJ to produce a long-acting version of Tα1 in Escherichia coli at high yield. ESI-MS analysis of the purified fusion protein indicated the expected composition without any signs of proteolysis. SEC analysis revealed a 10-fold expanded hydrodynamic volume resulting from the fusion with a conformationally disordered Pro/Ala/Ser (PAS) polypeptide of 600 residues. This size effect led to a plasma half-life in rats extended by more than a factor 8 compared to the original synthetic peptide due to retarded kidney filtration. Our study provides the basis for therapeutic development of a next generation thymosin α1 with prolonged circulation. Generally, the strategy of producing an N-terminally protected PASylated peptide solves three major problems of peptide drugs: (i) instability in the expression host, (ii) rapid degradation by serum exopeptidases, and (iii) low bioactivity because of fast renal clearance.
Subject(s)
Adjuvants, Immunologic/pharmacokinetics , Thymalfasin/pharmacokinetics , Acetylation , Acetyltransferases/metabolism , Adjuvants, Immunologic/genetics , Adjuvants, Immunologic/pharmacology , Animals , Escherichia coli/metabolism , Escherichia coli Proteins/metabolism , Female , Half-Life , Mass Spectrometry , Microscopy, Electron, Scanning , Neoplasms/drug therapy , Peptides/chemistry , Proteolysis , Rats , Rats, Wistar , Recombinant Fusion Proteins/blood , Recombinant Fusion Proteins/isolation & purification , Recombinant Fusion Proteins/pharmacokinetics , Recombinant Fusion Proteins/ultrastructure , Ribosomal Proteins/metabolism , Thymalfasin/blood , Thymalfasin/chemistry , Thymalfasin/genetics , Virus Diseases/drug therapy , COVID-19 Drug TreatmentABSTRACT
Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in Wuhan, China, at the end of 2019, and there are currently no specific antiviral treatments or vaccines available. SARS-CoV-2 has been shown to use the same cell entry receptor as SARS-CoV, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). In this report, we generate a recombinant protein by connecting the extracellular domain of human ACE2 to the Fc region of the human immunoglobulin IgG1. A fusion protein containing an ACE2 mutant with low catalytic activity is also used in this study. The fusion proteins are then characterized. Both fusion proteins have a high binding affinity for the receptor-binding domains of SARS-CoV and SARS-CoV-2 and exhibit desirable pharmacological properties in mice. Moreover, the fusion proteins neutralize virus pseudotyped with SARS-CoV or SARS-CoV-2 spike proteins in vitro. As these fusion proteins exhibit cross-reactivity against coronaviruses, they have potential applications in the diagnosis, prophylaxis, and treatment of SARS-CoV-2.