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陈鹏团队系统阐述膜蛋白与胞外蛋白靶向降解技术（meTPD）

2025-11-29    点击：
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陈鹏团队系统阐述膜蛋白与胞外蛋白靶向降解技术（meTPD）
作为细胞感知外界、传递信息以及进行物质交换的分子基础，膜蛋白与胞外蛋白占据了接近 40% 的人类蛋白质编码基因。它们不仅维持着生命的正常运转，更深度参与疾病进程 ，因而成为药物开发的重要靶点 （近 60% 的上市药物靶点是膜蛋白或胞外蛋白） 。经典的蛋白质靶向降解技术能够 打破 对功能位点结合的依赖，实现对特定蛋白的选择性清除，为长期以来 “ 不可成药 ” 的靶点提供了突破性 的 干预手段。然而，受限于细胞蛋白质质量控制机制的空间定位，此类靶向降解策略长期局限于胞内靶点，难以触及位于膜上或分泌至胞外的关键蛋白。因此，开拓蛋白质靶向降解技术在跨膜与胞外空间的应用，不仅对于全面解析蛋白质功能网络具有深远的科学价值，更对发展下一代靶 向治疗 策略具有重大的现实意义，已成为当前化学、生物、医学等多领域 的 交叉前沿。

2025年11月27日，生命科学联合中心PI陈鹏及其团队在Science杂志发表综述论文Targeted protein degradation in the transmembrane and extracellular space，系统全面介绍了跨膜与胞外空间靶向蛋白降解这一新兴技术的历史与现状。本文将对其进行深入解读，展现这一领域的最新进展和未来方向。
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引言： 从 “ 胞内降解 ” 到 “ 全空间覆盖 ”

现代药物开发长期受制于 “ 占据驱动（ Occupancy-driven ） ” 的药理学模式，即依赖药物分子持续占据靶蛋白的功能位点。这种模式不仅难以应对缺乏活性口袋的 “ 不可成药 ” 靶点，且往往需要高浓度的药物 维持占 位，易引发脱靶毒性。

靶向蛋白降解（ TPD , Targeted Protein Degradation ）技术（如 PROTAC ,  PROteolysis-TArgeting  Chimera ）的出现，通过诱导靶蛋白 与泛素 - 蛋白酶体系统（ UPS ）的接近及后续降解，将药物作用模式转变为高效的 “ 事件驱动（ Event-driven ） ” 模式，彻底改变了这一格局。 然而， 经典 TPD 技术存在一个根本性的空间局限： 其依赖的降解机器（蛋白酶体）位于胞内，难以触及占据人 类蛋白质组约 40% 的膜蛋白及胞外分泌蛋白。

简单地提升 PROTAC 分子的膜通透性无法解决这一空间错位。 胞 外分泌蛋白自不必说， 许多 膜蛋白 的 胞内结构域 为无序结构，难以获取合适的结合剂来构建 PROTAC 分子。 要解决膜蛋白与胞外蛋白的降解问题，必须建立一套全新的机制 —— 膜蛋白与胞外蛋白靶向降解（ meTPD ,  transMembrane  and Extracellular TPD ）。

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图 1.  meTPD 与经典胞内 TPD 的作用机制对比

meTPD 的 技术逻辑 ： TPD 与胞内递送技术的深度整合

meTPD 的 核心特征在于，它并非 PROTAC 等技术的直接改编，而是将 TPD 的基本逻辑与蛋白靶向、胞内递送技术深度整合，形成的一条全新路径。 具体而言， meTPD 不追求药物分子进入细胞， 而是将靶蛋白“ 拉” 入细胞 。 meTPD 利用细胞天然 的内吞 - 溶酶体途径，通过双功能分子设计， 一端结合目标蛋白，另一端触发 内吞与 溶酶体分选， 最终使靶蛋白 在溶酶体中被降解。 根据 触发内吞的 机制不同，现有技术主要分为两大类：

1. 依赖细胞表面蛋白的降解策略

这类策略 利用细胞表面已有的受体或跨膜蛋白 作为内吞媒介 。

  • 内化受体依赖型

该策略 的核心是 直接利用 细胞自身的天然运输系统 。 首个问世的 meTPD 技术 ——LYTAC （ LYsosome-TArgeting  Chimera ）正是如此：它 利用甘露糖 -6- 磷酸（ M6P ）修饰 的糖链 与 细胞膜上的 阳离子非依赖型 M6P 受体（ CI-M6PR ） 结合 ， 将靶蛋白 牵引至溶酶体 进行降解 。 这本质上是 分子桥接概念（ TPD 的核心）与受体 介 导的内吞（生物递送的经典手段） 的成功融合 。 此后，研究者 们 基于同一逻辑， 陆续开发了约 10 种 利用 不同内吞受体 的降解系统 。例如，它们可以靶向肝细胞 高表达 的 ASGPR 、肿瘤细胞 高表达 的转铁蛋白受体 TfR ，或 B 细胞 高表达 的 CD22 。这种多样化的受体选择，使得降解剂能 够实现组织或细胞类型 的 特异性靶向，这是单纯优化 PROTAC 分子难以实现的独特优势。

  • 膜 E3 连接酶依赖型

研究者借鉴 PROTAC 的 核心思想 ，开发了 如 AbTAC 和 PROTAB 等策略，通过双特异性抗体同时结合 细胞膜上的 靶蛋白与跨膜 E3 连接酶（如 RNF43 、 ZNRF3 ），引发靶蛋白 泛素化 与降解。 尽管 AbTAC 和 PROTAB 在 “ 招募 E3 连接酶 ” 这一点上与 PROTAC 思路相似，但它们之间存在关键区别：前者降解的是细胞表面的膜蛋白，并且最终是利用溶酶体，而非蛋白酶体来完成降解 。 这一转变体现了 技术融合带来的路径切换： 泛素化 标签的作用不再是招募蛋白酶体降解，而是变成了驱动靶蛋白进入溶酶体的分选信号 。 该策略保留了 TPD 的催化特性， 即使 E3 连接酶含量不高，也能高效降解靶蛋白 。然而，由于 其作用机制依赖于细胞内的 泛素化 过程 ，该 策略目前仅适用于跨膜蛋白，而无法作用于细胞外的分泌蛋白。

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图 2.  依赖细胞表面蛋白的 meTPD 策略

2. 不依赖细胞表面蛋白的降解策略

以 GlueTAC 和 SignalTAC 为代表的这类降解剂，展现了更强的技术交叉特性。它们不依赖特定的细胞表面受体，而是将 穿膜肽 （ CPP ）的内化功能与溶酶体分选序列（ LSS ）的靶向功能模块化 集成至靶蛋白 的抗体上。 通过这种方式， 降解剂本身成为 " 载体 " ，主动完成从膜识别到溶酶体投递的全过程 。

GlueTAC 采用酶促连接的方式，将能共价结合靶蛋白的纳米抗体与 CPP-LSS 组合在一起。 SignalTAC 则通过基因编码，直接将 CPP 和 LSS 融合到抗体中。除了 CPP-LSS 策略，基于聚乙烯亚胺（ PEI ）或纳米颗粒 触发内吞的 方法也相继被开发出来。 这些设计实质上是在单分子层面构建了一个自主递送系统，其设计逻辑更接近工程化的药物递送载体，而非传统 TPD 技术中的小分子优化。相比依赖细胞表面蛋白的策略，此类设计的最大优势是适用性广，不受细胞类型限制；但其挑战在于，高浓度下可能导致非特异性膜结合和毒性。

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图 3.  不依赖细胞表面蛋白的 meTPD 策略

技术融合带来的独特挑战

meTPD 的混合属性也使其面临经典 TPD 未遇到的难题：

第一， 降解动力学的滞后性 。 经典 PROTAC 的起效时间通常在 1-4 小时 ，而 meTPD 需经历 " 结合 - 内吞 - 分选 - 降解 " 的 多步过程，通常需要 6-48 小时才可达成高效降解 ， 胞内运输过程 成为了 meTPD 的限速步骤。 不过， 对于某些位于细胞膜表面的靶蛋白，只要阻断它们与细胞外环境的接触就足以抑制其功能。针对这类蛋白， meTPD 介 导的内吞作用能够迅速起效 （如 LYTAC 在 1 小时内 引发显著 的内吞反应 ） 。通过 快速将靶蛋白 从细胞膜上剥离，即可有效实现对其功能的抑制。

一种与现有 meTPD 策略不同，更接近经典 TPD 的思路是 将靶向 纳米抗体与工程化蛋白酶融合，直接在胞外切割靶蛋白。 作为原型技术，该策略 可在 1 小时内清除 99%  HER2 ，但 受到蛋白酶活性与特异性的限制， 该策略 暂时难以成为普适性的 meTPD 方法 。

第二，缺乏通用优化指南。 经典 TPD 的优化可聚焦于亲和力、 L inker 长度等分子参数 ， 而 meTPD 涵盖从小分子、多肽到抗体、纳米颗粒等多种形态。分子结构（如 Linker 长度、价态）、靶蛋白的理化性质以及细胞背景的异质性，使得建立通用的优化原则极为困难。 例如， 同为双价抗体设计，在 AbTAC 中 异源二价 （ Knob-into-hole ）更优，而在 TransTAC 中则是对称二价胜出。

第三， 机制解析的复杂性 。 经典 TPD 的机制研究相对集中（ 泛素化 、蛋白酶体）。而 meTPD 不仅需要 解析内吞途径 、囊泡分选、受体循环等多个细胞生物学过程，还需要关注不同策略诱导 内吞机制 上的差异。 近期针对 LYTAC 的 CRISPR 筛选发现， Retromer 复合物和 Cullin-3 修饰等在其中起到了关键的调控作用，凸显了细胞运输网络的核心地位。但 多数研究 依然仅停留在现象层面 ，对分子机制的细节了解有限。

另外，“ 钩状效应” （ hook effect ）在 meTPD 中也呈现了复杂的表现。钩状效应在经典 TPD 中普遍存在，即当降解剂浓度过高时，二元复合物形成优先于三元复合物，导致降解效率下降。但对于 meTPD ，不同系统对钩状效应的敏感性各异，其机制尚未完全阐明。

技术演进与 拓展 ：下一代 meTPD 的工程化改造

针对 meTPD 技术的 不 足之处， 研究 者 正从四个方向优化 meTPD 的性能，使其更安全、更精准、更高效：

  • 共价降解剂： 受 到 共价抑制剂启发，研究 者 在降解剂中引入 磺 酰氟等化学弹头，通过硫氟交换反应（ SuFEx ）与靶蛋白形成不可逆 的共价 连接 ， 使靶蛋白 被 " 粘牢 " 并持续递送至溶酶体。这种 “ 粘牢 ” 的效果带来了显著优势：它不仅 提升了降解 的 效率 和 持久性， 还能有效解决对弱亲和力靶蛋白的结合难题 ， 并 防止靶蛋白在 进入溶酶体前的运输过程 中解离逃逸 。因此，共价策略能实现更深度的蛋白降解，并 拓宽 可 靶向 的蛋白 范围 。 一个典型的例子是 GlueTAC 在降解 PD-L1 蛋白时，其效果优于采用非共价策略的 SignalTAC ，充分体现了这一策略的效力。

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图 4.  共价 meTPD 策略

  • 多特异性降解剂： 得益 于 meTPD 降解剂的模块化特性，将 针对不同靶点的配体 连接起来，可以构建出多特异性降解剂，从而同时降解多个靶点蛋白（例如 PTK7 与 Met ）。 同样地，将多种降解模块组合在一起，则能够增加 诱导内吞的 途径，提高对单一靶点的降解效率。更重要的是，这种多模块设计还能创造出全新的治疗功能。例如， OMV-LYTAC 将降解剂 与 细菌外膜囊泡 进行偶联 ， 不仅能降解 PD-L1 蛋白，还能利用 囊泡 激活 机体 免疫系统， 实现 " 降解 + 免疫 " 的 协同 抗肿瘤效应， 其疗效超越了 单一 疗法 。

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图 5.  多特异性 meTPD 策略

  • 条件激活型降解剂： 借鉴前药 的 设计理念， Pro- meTPD 将 穿膜肽用 可被肿瘤微环境（ TME ） 高表达 蛋白酶（如 MMP2/9 ）切割的遮蔽 肽 覆盖，仅在肿瘤组织激活降解功能。这种设计将三元复合物的形成从同步 过程 转为 先后有序的步骤 ， 克服了因剂量过高导致的 “ 钩状效应 ” ，有效避免了在正常组织中的误伤 。 另一项创新是 Co-LOCKR 系统的引入 ，它为 meTPD 带来了 " 与门 " 控制 逻辑。经过设计的多模块降解 剂 只有 在 HER2 与 EGFR 这两个靶点 同时存在时，才会组装成完整的靶蛋白 - 内吞受体 降解复合物 。这种设计实现了对蛋白降解更精细的调控。

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图 6.  条件激活 meTPD 策略

  • 降解剂 - 药物偶联物（ DDC ）： 抗体 - 药物偶联物（ ADC ） 作为一种新型的癌症治疗手段，正逐渐崭露头角，被寄予厚望 ，但其开发受限于抗体本身 的内吞效率 ，通常需要 寻找内吞能力 强的抗体，以确保药物被有效摄取并降低对正常组织的毒性。 而基于 meTPD 技术开发的 DDC ， 在药物递送 方面 具有天然的优势。 它不仅能高效地将治疗载荷送入细胞，还能在过程中降解肿瘤相关的抗原，从而实现 “ 药物杀伤 ” 与 “ 抗原清除 ” 的双重协同疗效 。 与 ADC 相比 ， DDC 的内化 过程 更 为 稳定 ， 且不受靶点表达水平 的 限制 。此外，其递送的应用范围也更为广阔。除了传统的毒素分子， DDC 理论上 还 能 递送示踪剂、抗原肽等多种类型的载荷 ， 有望发展成为一个 功能集成的分子平台。

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图 7.  降解剂 - 药物偶联物

应用现状与展望： 从概念验证迈向临床现实

不仅限于工具开发，多项研究已经开始探索 meTPD 的转化潜力，其中 一部分 由药企 主导 ：

  • 自身免疫病： Biohaven 开发的 IgG Fc 降解剂 BHV-1300 已进入 I 期临床，可在 2-3 天内清除 80% 致病 IgG ，显著快于现有 FcRn 抑制剂。 Lycia Therapeutics 的 IgE 降解剂 cataLYTAC 在非人灵长类中可实现 >98% 清除并持续两周，效果超越标准疗法。

  • 肿瘤免疫 ： 针对 PD-L1 、 EGFR 等靶点的降解剂在动物模型中表现出了优于抗体的疗效。

  • 代谢与神经疾病： Novartis 正在尝试 PCSK9 的靶向降解。报道显示三种 ASGPR 介 导的 PCSK9 降解策略均在小鼠中实现了加速清除。值得注意的是，其中亲和力较低的设计反而因降解剂循环时间延长而效果更佳。此外，由于 TfR 、 RAGE 等内吞受体同时也能 介 导血脑屏障穿越，一部分 meTPD 策略已经展示出了穿透血脑屏障，降解脑内靶蛋白的潜力。

近年来，经典 TPD 降解 剂相关 的临床实验正逐步增加，可以期待未来 meTPD 能为不可成药的膜蛋白靶点提供全新的治疗方案。 以 EGFR 的突变体 EGFRvIII 为例，其胞 外结构域 缺失导致 EGF 非依赖的常时激活。由于激活与配体的结合无关，自然也无法通过传统抗体阻断的形式进行抑制。 理论上 meTPD 可以无视降解剂的结合表位，直接清除整个蛋白，实现对这一不可成药靶点的抑制效果。

在临床应用之 外， meTPD 也可以作为 研究工具 ， 实现快速蛋白敲低，与 CRISPR 、 RNAi 等 形成互补。 一方面 meTPD 侧重于降解已合成的蛋白，对表达周期较长的蛋白具有更好的 清除效果，而 RNAi 则抑制蛋白的新合成，两者在功能上互为补充。另一方面， meTPD 也可以作为 RNA 的递送载体，提升 mRNA 沉默的效果。

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图 8.  meTPD 的应用前景。（ A ） meTPD 正被开发用于各类疾病的新型治疗方案开发；（ B ） meTPD 能通过降解直接清除不可成药的膜蛋白靶点；（ C ） meTPD 能够与基因层面的工具互补，通过快速蛋白 敲低用于 基础研究。

总结

meTPD 通过整合靶向递送与降解机制， 成功将 TPD 的应用版图 拓展至膜蛋白 与胞外空间， 为膜蛋白和 胞外 蛋白的调控提供了新途径。尽管降解动力学、优化原则与分子机制等挑战仍需攻克，但首个进入临床的候选药物标志着该领域 正 从概念验证迈向实际应用。随着共价化学、多特异性设计及条件激活 等 策略的成熟， meTPD 有望拓展可成药靶点的边界，并在基础研究与临床治疗中发挥更重要的作用。

原文链接： 10.1126/ science.adx 5094



参考文献

1. Targeted protein degradation in the transmembrane and extracellular space（https://doi.org/10.1126/science.adx5094）

2. Covalently Engineered Nanobody Chimeras for Targeted Membrane Protein Degradation（https://doi.org/10.1021/jacs.1c08521）

3. Conditionally Activatable Chimeras for Tumor-Specific Membrane Protein Degradation（https://doi.org/10.1021/jacs.4c06160）

4. Cell-Selective Targeting Chimeras (SelecTACB) for Membrane Protein Degradation on B Cells（https://doi.org/10.1021/jacs.5c09630）

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陈鹏

北京大学化学与分子工程学院教授

北大-清华生命科学联合中心PI


实验室主页：

https://www.chem.pku.edu.cn/chenpeng/research/index.htm


研究领域：

致力于活细胞化学反应的开发与应用。系统建立了活细胞化学工具平台，提出并发展了“生物正交剪切反应”，突破了在活细胞内研究蛋白质功能的技术瓶颈，并应用于生命机制研究和蛋白质药物开发，开拓了生物正交反应新方向，为生命科学的研究和重大疾病的诊疗提供技术创新。具体研究方向如下：

生物正交反应：开发面向生命活体的化学反应与操纵技术；

蛋白质工程与组学：蛋白质工程、蛋白质组学、“时-空”多维组学；

免疫化学生物学：免疫系统中的细胞相互作用、功能机制调控及免疫治疗。

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