當配體（ligand）與細胞膜上的受體（receptor）結合後，會啟動受體介導型內吞作用（receptor-mediated endocytosis），使受體與配體一起被細胞膜包覆並形成內吞小泡（endocytic vesicles），進入細胞內部。這些小泡會迅速與細胞內既有的早期胞內體（early endosome）融合。隨著內部環境的酸化與膜成分的變化，early endosome 會逐漸成熟為 late endosome，最終與溶酶體（lysosome）融合，進行蛋白質的降解。這個原理促成了一類創新藥物的誕生，例如 LYTAC（lysosome-targeting chimaeras）與 KineTAC（cytokine receptor-targeting chimeras），將現有的蛋白或配體進行修飾，使其模仿天然配體的行為，用來引導目標蛋白進入細胞內的降解途徑。進而使原本難以藥物處理的細胞外或膜蛋白得以有效清除。然而，這些方法受限於三個困難：其一，需與內源性配體競爭結合位點；其二，仰賴複雜的化學修飾，不易製備；其三，並非所有受體都有可用的配體。
為了解決這些問題，研究團隊運用從零設計（de novo design）的方法，打造出一組能獨立誘導內吞的人工蛋白——EndoTags。不同於模仿天然配體的策略，這些設計採取繞過正門的做法，藉由影響受體的結構啟動內吞反應。更重要的是，EndoTags 採用可由基因直接編碼的蛋白，不僅可由細胞穩定表達與分泌，也更容易結合基因療法或細胞治療等現代遞送平台。加上可針對不同受體進行設計，它具備高度的模組化潛力與組織特異性，為標靶蛋白降解技術開啟新的應用方向。
圖一中展示了各設計的結構模型（b, e, h），並以流式細胞儀與螢光影像（c, f, i, d, g, j）證實這些 EndoTag 不僅能與目標受體結合，更成功啟動內吞並導向溶酶體降解。
圖片來源： https://www.nature.com/articles/s41586-024-07948-2
EndoTag 系列人工蛋白根據不同受體的內吞機制與組織分布，採取三種對應設計策略（圖一）。第一種是（a）正交結合（orthogonal binding），應用於如 sortilin 與 transferrin receptor 這類本身會在細胞膜與胞內間持續進行循環的受體。研究團隊建構不與天然配體重疊的結合位點的蛋白，避免干擾原有的配體結合與生理功能，同時利用其既有的胞吞作用，將標靶蛋白順勢帶入溶酶體。
第二種策略是（b）構型誘導（conformational change triggering），針對如 IGF2R 這類內吞需要配體結合造成構型改變的受體。設計者分別開發出能結合 IGF2R 兩個結構域的蛋白質，再將它們融合為一體，彷彿一個人工鉸鏈，拉動受體轉變其構型，使其變成「可吞噬」的狀態。
第三種設計策略則是（c）誘導聚集（clustering），應用於如 ASGPR 這種內吞需依賴受體大量聚集的系統。團隊設計出能與 ASGPR 結合的單體蛋白，進一步組裝為二聚體或三聚體，藉此促進受體在細胞膜上聚集，啟動內吞與降解。
圖片二說明：
（a）融合蛋白需同時結合目標蛋白（如 EGFR）與組織特異性受體（如 HER2 或 IGF2R）才會被有效降解，形成 AND gate 系統。
（b）在共同表現 HER2 與 IGF2R 的細胞中，僅 EGFR-EndoTag 同時辨識兩者時，EGFR 才會顯著下降；未表現其中一者則無效。
（c）模擬基因療法，細胞可分泌帶有 EndoTag 的蛋白，進入周邊細胞內部發揮降解作用。
（d）不同版本的分泌型 EndoTag 融合蛋白可成功減少 EGFR的表現，顯示其基因編碼與體內應用潛力。
圖片來源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07948-2
為了更進一步強調 EndoTag 的組織選擇性與安全性，研究團隊設計出一種具「AND gate」的系統：融合蛋白僅在細胞同時表現標靶蛋白與特定內吞受體時才會被有效降解（圖二）。例如，將 EGFR 的結合子與 HER2 鎖定器與 EndoTags 連接，在共同表現 HER2 與 IGF2R 的細胞中才能觸發降解，而在缺乏任一受體的細胞中則無效，展現出極高的專一性。進一步地，團隊也驗證了分泌型 EndoTags 融合蛋白的設計，證明其可以透過細胞遞送與基因療法方式作用於周邊細胞。EndoTags 能引導細胞選擇性地內吞並降解目標蛋白質，為目前難以治療的疾病開啟了新的可能。未來，研究團隊希望進一步拓展它的適用範圍，探索如癌症、自體免疫或神經退化等疾病的應用潛力。除了潛在的臨床應用外，EndoTags 亦可作為探討蛋白質運輸、內吞與降解等細胞基本機制的研究工具，，為揭開疾病的機制提供新的線索。
Main Article:
Huang, B., Abedi, M., Ahn, G. et al. Designed endocytosis-inducing proteins degrade targets and amplify signals. Nature 638, 796–804 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07948-2
參考文獻：
Baker Lab. (2024, September 27). Targeted protein degradation through advanced protein design. https://www.bakerlab.org/2024/09/27/targeted-protein-degradation-through-advanced-protein-design/
撰文｜賴宥橙
審稿｜蔡伊婷
