《Nature Communications》：DNA nanoflower Oligo-PROTAC for targeted degradation of FUS to treat neurodegenerative diseases
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為解決寡核苷酸藥物穿越血腦屏障（BBB）及快速降低毒性蛋白的挑戰，研究人員開發腦穿透性 DNA 納米花結合寡核苷酸靶向蛋白降解嵌合體（Oligo-PROTAC）。以 FUS 為模型，證實其通過泛素 - 蛋白酶體通路降解 FUS，單次靜脈注射可穿透 BBB 并持續降靶，為神經退行性疾病治療提供新策略。
在神經退行性疾病的治療領域，Frontotemporal dementia（FTD，額顳葉癡呆）和 Amyotrophic lateral sclerosis（ALS，肌萎縮側索硬化）一直是極具挑戰性的難題。這兩種疾病不僅嚴重威脅人類健康，還存在著共同的病理特征 ——RNA 結合蛋白（如 FUS 和 TDP-43）的異常聚集。正常情況下，FUS 主要位于細胞核內，但致病突變會導致其錯誤定位并在細胞質中聚集，形成有毒的蛋白聚集體，進而引發神經元功能障礙和死亡。目前，針對這類疾病的治療手段有限，傳統藥物難以有效穿越血腦屏障（Blood-Brain Barrier, BBB），而寡核苷酸（Oligo）類藥物雖有潛力，卻面臨著遞送效率低和清除快等問題。如何突破血腦屏障，精準靶向并清除致病蛋白，成為該領域亟待解決的關鍵科學問題。
為了攻克這些難題，山東師范大學、山東大學等國內研究機構的研究人員開展了一項具有創新性的研究。他們開發了一種名為 FRONTAC 的新型治療策略，將腦穿透性 DNA 納米花與寡核苷酸靶向蛋白降解嵌合體（Oligo-PROTAC）相結合，旨在實現對 FUS 蛋白的特異性降解和高效腦遞送。這項研究成果發表在國際知名期刊《Nature Communications》上，為神經退行性疾病的治療開辟了新的方向。
研究人員在實驗中運用了多種關鍵技術方法。首先，通過分子設計和化學合成構建了 FUS 特異性結合的 RNA Oligo-PROTAC，利用點擊化學反應將 RNA 寡核苷酸與 E3 泛素連接酶配體（如 Cereblon 配體）偶聯，形成能夠誘導 FUS 泛素化降解的嵌合體。其次，采用滾環擴增技術制備了 DNA 納米花，該納米花攜帶數百個轉鐵蛋白受體（TfR）結合適體和 Oligo-PROTAC 結合序列，通過 TfR 介導的 transcytosis 機制實現血腦屏障的穿越。此外，研究中還運用了流式細胞術、免疫印跡、免疫熒光、質譜分析、動物體內成像等技術，系統評估了 FRONTAC 的靶向降解效率、體內分布、安全性和長期療效。
工程化設計高效 FUS 結合寡核苷酸用于靶向蛋白降解
研究人員基于 FUS 識別 GGUG 基序的特性，篩選出高親和力的 RNA 寡核苷酸，并通過串聯重復 GGUG 基序進一步增強結合能力。通過點擊化學合成 Oligo-PROTACs，發現 dFUS-E9C（含優化的 FUS-RNA#E9 和 Cereblon 配體）是最有效的 FUS 降解劑。實驗證實，dFUS-E9C 通過形成 FUS-dFUS-E9C-CRBN 三元復合物，誘導 FUS 泛素化并通過蛋白酶體途徑降解，其解離常數（Kd）為 60.54 nM，且不影響 FUS mRNA 水平，表明其作用機制為特異性蛋白降解而非轉錄調控。
dFUS-E9C 減輕 FUS 過表達誘導的線粒體損傷
在神經元樣 SH-SY5Y 細胞模型中，dFUS-E9C 能夠有效降解 FUS 過表達形成的細胞質聚集體，降低細胞內活性氧（ROS）水平，減少乳酸脫氫酶（LDH）釋放，挽救線粒體膜電位（ΔΨm），從而改善線粒體功能并恢復細胞活力。這些結果表明，dFUS-E9C 通過降解異常聚集的 FUS，逆轉了其誘導的神經毒性，為治療 FUS 相關神經退行性疾病提供了細胞水平的機制驗證。
dFUS-E9C 與 FUS 的 RGG2 和 RRM 結構域結合
通過 FUS 截短突變體和分子模擬分析，發現 dFUS-E9C 主要結合 FUS 的 RGG2 結構域，同時部分結合 RRM 結構域。RGG2 結構域中的精氨酸殘基與 RNA 形成氫鍵，而 RRM 結構域的多個氨基酸殘基也參與相互作用。關鍵堿基突變實驗證實了這些結合位點的重要性，且 FUS 結合位點在人類和常見模型物種（如小鼠、大鼠、食蟹猴）中高度保守，使得 dFUS-E9C 在不同物種的細胞模型中均能有效降解 FUS，且對多種 FUS 致病突變體（如 P525L、R521C 等）同樣有效，尤其偏好降解細胞質中的 FUS 聚集體。
TfR 結合 DNA 納米花有效遞送 dFUS-PS9C 穿越血腦屏障
為解決寡核苷酸的體內遞送問題，研究人員設計了攜帶 TfR 適體的 DNA 納米花（TfR-NF），通過堿基配對加載硫代磷酸酯修飾的 dFUS-PS9C（dFUS-PS9C），形成 FRONTACFUS。實驗表明，TfR-NF 通過網格蛋白依賴的內吞作用被細胞攝取，且 TfR 缺失或氯丙嗪處理會顯著抑制其攝取。FRONTACFUS 的粒徑和 zeta 電位分析證實了有效加載，且在血清中的穩定性顯著提高。體內成像顯示，靜脈注射后 FRONTACFUS 在 2 小時內即可到達腦實質，而對照納米花（sc-FRONTAC）則無法穿透血腦屏障，證實了 TfR 介導的腦遞送機制。
FRONTACFUS 在腦內快速降解 FUS 并顯示持續療效
單次靜脈注射 FRONTACFUS 后，小鼠腦內 FUS 水平在 24 小時內顯著降低，海馬和皮層區域的 FUS 降解率超過 50%-70%，且降解效果持續兩周以上。組織學分析顯示，FRONTACFUS 未引起明顯的神經炎癥、神經元丟失或外周器官毒性，血液學和炎癥因子檢測也未發現顯著異常，表明其安全性良好。此外，FRONTACFUS 對細胞質中的 FUS 聚集體具有優先降解作用，而對細胞核內的野生型 FUS 影響較小，這一特性可能減少對正常細胞功能的干擾。
討論：FRONTAC 策略的創新性與治療潛力
本研究開發的 FRONTAC 策略巧妙結合了寡核苷酸的分子識別能力和 DNA 納米花的腦靶向遞送特性，成功解決了傳統 PROTACs 穿越血腦屏障的難題。與基因沉默療法相比，Oligo-PROTAC 具有更高的特異性，僅降解目標蛋白而不影響 mRNA 水平，且對多種致病突變體有效。DNA 納米花作為遞送載體，不僅提高了寡核苷酸的穩定性，還通過多價 TfR 適體增強了腦內富集效率，避免了傳統抗體介導遞送的免疫原性和貧血等副作用。
該研究為 FTD、ALS 等神經退行性疾病提供了一種通用且高效的治療策略，其核心優勢在于模塊化設計 —— 可通過更換靶向適體和 E3 配體，擴展至其他致病蛋白（如 TDP-43、Tau 等）的治療。盡管目前研究基于動物模型，但其在體內的高效降解效果和安全性為臨床轉化奠定了堅實基礎，有望推動靶向蛋白降解療法在中樞神經系統疾病中的應用。
