攻克不可成藥，PROTAC與分子膠引領(lǐng)靶向蛋白降解技術(shù)

2024-10-25

靶向蛋白質(zhì)降解技術(shù)(TPD)是藥物發(fā)現(xiàn)中具有革命性意義的策略。與傳統(tǒng)的直接靶向蛋白（酶）不同，TPD通過調(diào)節(jié)宿主蛋白降解系統(tǒng)來發(fā)揮治療效果，能夠克服DNA敲除、RNA干擾等傳統(tǒng)藥物靶點(diǎn)確認(rèn)及干擾策略的局限性，從而擴(kuò)大藥物靶點(diǎn)的選擇范圍。一系列新型靶向蛋白質(zhì)降解技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以其顛覆性的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新性的作用機(jī)制、挑戰(zhàn)“不可成藥”靶點(diǎn)的想象空間，在基因編輯、細(xì)胞治療新技術(shù)層出不窮、風(fēng)頭正盛的當(dāng)下，小分子仍然憑借新技術(shù)屹立在聚光燈下，受到眾多大藥廠和資本追捧，展現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。

PROTAC

PROTAC靶向蛋白降解嵌合體（也稱為降解劑）能夠利用機(jī)體內(nèi)天然存在的蛋白清理系統(tǒng)，降低蛋白水平而非抑制蛋白的功能，從而治療疾病。它是一種雙功能分子，包含兩個(gè)“彈頭”，由連接子連接，一個(gè)彈頭與細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)靶蛋白（POI）結(jié)合，另一個(gè)與E3連接酶結(jié)合，形成“三體”聚合物—靶蛋白配體-Linker-E3配體。三元配合物的形成是發(fā)揮PROTAC作用的關(guān)鍵步驟。靶蛋白配體將靶蛋白招募到E3附近，實(shí)現(xiàn)靶蛋白泛素化標(biāo)記，最后啟動細(xì)胞泛素化水解過程被蛋白酶體降解。PROTAC可以循環(huán)使用，并持續(xù)催化另一個(gè)降解過程。其中，E3配體是PROTAC效價(jià)和靶點(diǎn)選擇性的重要決定因素之一。E3配體的開發(fā)也將擴(kuò)大PROTACs可降解的靶點(diǎn)的范圍。

PROTAC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（來源：Pagan, Julia, et al. Circulation research 112.7 (2013): 1046-1058.）

PROTAC的作用方式明顯不同于小分子抑制劑，小分子只占據(jù)POI的活性位點(diǎn)，而不是加速其降解。因此，PROTAC表現(xiàn)出許多超越小分子抑制劑的優(yōu)勢，其中最為顯眼的是：能夠使靶點(diǎn)從“無成藥性”變成“有成藥性”。PROTAC以“事件驅(qū)動”而不是“占用驅(qū)動”的方式發(fā)揮作用，因此PROTAC在與目標(biāo)蛋白弱結(jié)合情況下就可以特異性地“標(biāo)記”它，產(chǎn)生良好的藥理效果。相比之下，小分子抑制劑總是需要高細(xì)胞濃度、與活性位點(diǎn)結(jié)合才能有效地占據(jù)POI的活性位點(diǎn)，這往往導(dǎo)致劑量依賴性毒性。而人類細(xì)胞中80%的蛋白缺乏這樣的位點(diǎn)。因此，PROTAC技術(shù)可將目前蛋白質(zhì)組中約80%的轉(zhuǎn)錄因子、支架蛋白和非酶蛋白等“不可成藥”蛋白“化腐朽為神奇”，突破傳統(tǒng)小分子抑制劑的局限。

PROTAC作用原理（來源：搜狐網(wǎng)）

此外，小分子抑制劑通常只破壞POI的一個(gè)結(jié)構(gòu)域，但其他疾病相關(guān)結(jié)構(gòu)域的活性仍然完整，而PROTAC則通過降解整個(gè)POI來破壞所有結(jié)構(gòu)域的功能，不僅抑制蛋白活性，還可以破壞蛋白質(zhì)的酶和非酶功能（例如支架）或轉(zhuǎn)錄功能，進(jìn)而可以克服傳統(tǒng)小分子的耐藥性。而且，PROTAC可以實(shí)現(xiàn)較高的靶點(diǎn)特異性，而小分子抑制劑要區(qū)分與POI密切相關(guān)的亞型則具有挑戰(zhàn)性?；谥T多突破性優(yōu)勢，PROTAC逐漸成為醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的新星，已有超70種蛋白質(zhì)被PROTACs靶向降解。

分子膠

與PROTAC雜合雙功能小分子化合物不同，分子膠是分子量小于500道爾頓的單價(jià)小分子，對靶蛋白沒有親和力。但是“分子膠”可以結(jié)合E3泛素連接酶并在其幫助下，通過接頭轉(zhuǎn)動來使兩種蛋白質(zhì)相互接觸，從而介導(dǎo)并增強(qiáng)靶蛋白與E3泛素連接酶之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)識別并促進(jìn)泛素化以降解靶蛋白。這一特性使得“分子膠”能夠通過蛋白降解的方式下調(diào)那些沒有小分子結(jié)合口袋的不可成藥靶點(diǎn)，彌補(bǔ)了PROTAC因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)源于一個(gè)結(jié)合靶蛋白化學(xué)基團(tuán)，而無法作用于沒有口袋的不可成藥靶蛋白的缺陷。此外，分子膠的細(xì)胞通透性和藥代動力學(xué)特性優(yōu)于PROTAC，使其成為一種很有前途的臨床應(yīng)用降解劑。小于500Da分子量，使得分子膠更容易遵守Lipinski成藥五原則，具有更高的膜通透性和更好的細(xì)胞吸收，相較于PROTAC更易穿透血腦屏障，尤其適合中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)疾病的治療。然而，天然的分子膠稀少，其結(jié)構(gòu)生物學(xué)、分子機(jī)制和結(jié)構(gòu)活性關(guān)系特征較差，分子膠的合理設(shè)計(jì)相比PROTAC具有更多挑戰(zhàn)。

分子膠結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制

（來源：Evita G. Weagel, et al. Medicinal Chemistry Research volume 31, pages1068–1087 (2022)）

目前較成熟的分子膠主要有兩大類：一類為免疫調(diào)節(jié)藥物（IMiDs）類藥物，可與E3 CRBN結(jié)合，招募含鋅指（ZF）結(jié)構(gòu)域因子的轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行泛素化并被蛋白酶體降解，而IMiDs本身對降解轉(zhuǎn)錄因子沒有可測量的結(jié)合親和力。目前已經(jīng)上市的三大分子膠藥物沙利度胺、來那度胺和泊馬度胺皆屬于這類，用于治療多發(fā)性骨髓瘤、骨髓增生異常綜合征等。

圖片：沙利度胺、來那度胺和泊馬度胺的結(jié)構(gòu)（來源：DeepTech）

另一類為芳基磺酰胺類，如吲地磺胺（Indisulam）、他西舒蘭（Tasisulam）等可與E3 DCAF15結(jié)合，招募剪接因子RNA 結(jié)合基序蛋白39（RBM39）進(jìn)行泛素化并降解。

由于可用于靶向降解蛋白質(zhì)的分子膠尚缺乏合理的篩選和設(shè)計(jì)策略，限制了其發(fā)現(xiàn)的效率和適用性，最開始為偶然發(fā)現(xiàn)，包括首個(gè)上市的分子膠沙利度胺，但隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)和化合物庫篩選等技術(shù)的發(fā)展，目前也漸漸出現(xiàn)了基于合理設(shè)計(jì)得到的分子膠，大藥企紛紛對分子膠領(lǐng)域展開追逐。2023年4月5日，分子膠領(lǐng)域發(fā)生兩起重磅交易，默沙東與 Proxygen 宣布達(dá)成最高 25.5 億美元合作，Incyte與Biotheryx宣布達(dá)成總額超過 3.5 億美元的合作，合作將進(jìn)一步通過精簡和充分整合尖端基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生化技術(shù)，開發(fā)高度通用的分子膠降解劑發(fā)現(xiàn)引擎，有望改變分子膠類藥物的發(fā)現(xiàn)過程，促進(jìn)分子膠的發(fā)展。

結(jié)語

PROTAC的E3配體開發(fā)與分子膠合理化設(shè)計(jì)是未來發(fā)展的必經(jīng)之路。持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有降解技術(shù)，探索更安全、高效、精準(zhǔn)、可控的新型靶向蛋白質(zhì)降解技術(shù)，為藥物設(shè)計(jì)和疾病的靶向治療提供新的思路，已成為當(dāng)前研究的主要方向。

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