Science：重大进展！发现IFITM蛋白促进细胞高效摄取更大的连接药物分子

在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校的Kevan Shokat团队和Luke Gilbert团队发现了一种细胞摄取途径，它对由连接亚基组成的较大药物分子特别重要。这一知识可以被用来构建新的药物，尽管它们很大很复杂以便与它们的靶标进行最佳结合，但却能被靶细胞高效摄取。相关研究结果发表在2022年12月9日的Science期刊上，论文标题为“IFITM proteins assist cellular uptake of diverse linked chemotypes”。

大多数传统药物都是小分子，遵循简单的分子规则，促进良好的细胞摄取和有利的化学特性，包括限制分子大小和分子表面粘性化学基团的数量。

然而，由于特异性问题，许多关键的药物靶标，比如经常参与癌症产生的激酶，极其难以用传统药物加以靶向---“有超过500种人类激酶，它们在药物结合的口袋中非常相似，使得选择性地靶向这个家族的单个成员成为一个困难的挑战，并导致不理想的药物副作用”，论文第一作者Kevin Lou解释道。

为了缓解这些问题，并接触以前被认为是“无法用药物靶向”的新细胞靶标，一些较新的药物类别变得更加庞大和复杂。但只有少数这样的例子远远超出了典型的化学规则，并对细胞内的靶标保持非常有效的药物作用。

一般来说，Gilbert解释说，“人们一直不愿意设计、合成和测试这样的分子，因为它们远远超出了标准的药物设计规则，人们只是认为它们不会进入细胞。重要的是，这些具有多个部分的较大药物分子对它们的靶标的特异性往往要高得多---它们有两把分子钥匙，必须同时插入两个相邻的锁中，从而提高了特异性。”

但目前还不清楚这些较大的药物分子是如何进入细胞的，也不清楚我们可以遵循什么样的设计规则来开发利用这种分子连接来实现高效力和高特异性的新药物。Gilbert说，通过发现一种允许这些药物进入我们细胞的细胞通道，这项新研究“使得科学家们能够超越标准的药物设计规则进行思考，并考虑更大的连接分子是否能够以新的方式靶向蛋白或靶向我们以前认为无法靶向的蛋白”。

当你不知道你在寻找什么，甚至不知道是否存在一种新途径时，你如何找到一种新途径？一种强大的方法是进行全基因组功能筛选，测试单个基因对细胞过程的重要性。几年前，吉尔伯特率先开发了CRISPRi和CRISPRa筛选，其中CRISPR与向导RNA库一起使用，以减少或增加人类基因组中一个基因的表达水平。当应用于数以百万计的细胞时，每个细胞在不同的基因上得到不同的修改，这样就可以确定哪些基因操纵导致了感兴趣的功能结果差异。

在这种情况下，这将意味着寻找使得细胞与未连接的药物分子相比对连接的药物分子更敏感或更有抵抗力的基因表达操纵，并进行追溯以确定哪些基因对调整这一过程是重要的。

Shokat团队和Gilbert团队在人类白血病细胞系中进行了这些成对的CRISPRi（基因抑制）和CRISPRa（基因激活）筛选，然后用一种大型的实验性连接抗癌药物RapaLink-1进行处理。

这些作者立即发现，与对未连接的药物分子的反应相比，这种连接药物分子对一些基因操纵的反应截然不同，这意味着与传统的小药物分子相比，RapaLink-1依赖于不同的细胞进入和/或药物作用途径。令人鼓舞的是，许多结果相互加强：抑制一个特定的基因可能导致细胞对该药物的抵抗力，而激活同一基因则会促进对该药物的敏感化。

RapaLink-1化学结构式，图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05213-y。

最引人注目的结果是一组三个密切相关的基因，它们似乎能促进RapaLink-1的活性，但对未连接的药物分子没有影响。这些基因编码IFITM蛋白，它们因在抗病毒防御中的作用而闻名，但此前没有证据表明它们会影响药物的作用方式。仅仅通过调节IFITM蛋白的水平，这些作者就能极大地改变RapaLink-的效力约30倍。

这些作者观察了659种不同的细胞类型，发现IFITM的表达水平与对RapaLink-1的敏感性之间有很强的相关性，支持它在不同类型的细胞中发挥普遍作用。通过扩大到17种不同的连接药物分子和未连接的药物分子，他们确定，IFITM基因表达的影响在不同类型的连接药物分子中是一致的。

以前的研究已指出IFITM蛋白位于我们的细胞表面上，识别许多不同类型的病毒，并阻止它们进入我们的细胞，从而阻止感染。但它们与细胞对RapaLink-1的反应会有什么关系？这些作者测量了细胞摄取RapaLink-1和相关药物的荧光版本的能力。

Lou说，“我永远不会忘记我们第一次能够看到IFITM表达较低的细胞对RapaLink-1的摄取较少的那一刻。相反的情况也是如此：提高IFITM水平会增加药物进入细胞的速度。”另一方面，IFITM蛋白表达水平对未连接的“传统”药物穿过细胞膜的效果没有影响。

利用他们所学到的知识，Shokat实验室接下来设计了两种新的连接药物，他们假设这两种药物可能利用这种细胞进入途径。他们通过连接子将两种已知的白血病蛋白BCL-ABL1抑制剂---达沙替尼（dasatinib）和阿思尼布（asciminib）---连接在一起而产生了DasatiLink-1。由于每种药物都与靶蛋白上的一个不同的口袋结合，他们推断，这种连接药物版本可以像双叉钥匙插入两把锁一样将自己附着在两个接触点上，从而提高它的特异性和有效性。他们还设计了bisrc -1，将化疗药物楝酰胺（rocaglamide）的两个分子连接在一起，使得它能够桥接该药物靶蛋白的两个拷贝。值得注意的是，尽管这两种连接药物都违反了传统的药物设计原则，但他们发现这两种连接药物都能进入细胞，与它们的靶标紧密结合，并与未连接的药物分子一样有效。这两种连接药物独特地依赖于靶细胞中IFITM蛋白的表达，支持IFITM途径在许多类型的连接药物分子中的普遍作用。

引人注目的是，这些作者发现DasatiLink-1仅对BCL-ABL1激酶具有精确的特异性，而它的两个成分药物分子在未连接时具有更宽松的特异性。Lou解释说，“需要多管齐下的结合机制的连接抑制剂分子的选择性要高得多”，只要它们能够有效地进入细胞，就具有很大的优势。

由于这项新的研究，我们如今了解了连接药物用来进入人体细胞的一种主要细胞通道。这不仅回答了生物医学中一个长期存在的问题，还为设计更好的可以利用这一进入途径获得更高的药物有效性和特异性的分子连接物铺平了道路。Gilbert建议，未来有可能“利用介导药物吸收的途径，比如IFITM，来提高药物摄取，甚至将药物靶向到选定的细胞类型”。

增加IFITM表达的治疗可能会与遭遇临床挑战的药物联合使用，以促进它们进入细胞，并使它们更接近它们的分子靶标。这一重要途径的发现扩大了我们在今后设计新的治疗性药物时可以探索的分子特征的前沿。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Kevin Lou et al. IFITM proteins assist cellular uptake of diverse linked chemotypes. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl5829.

2. R. Scott Lokey et al. Getting bifunctional molecules into cells. Science, 2022, doi:10.1126/science.adf4412.

3. Discovery of a cellular uptake pathway for larger drug molecules
https://phys.org/news/2022-12-discovery-cellular-uptake-pathway-larger.html