Protac——过往皆是序章

来源：天津博纳艾杰尔科技有限公司更新时间：2024-10-17 17:48:54 阅读量：57

导读：Protac——过往皆是序章

人体内约有 2 万个蛋白质编码基因，现有研究显示其中约有 10% 的蛋白和疾病发生有关，即约有 2000 个潜在靶点。然而根据 2017 年 NRDD 综述的统计，彼时 FDA 批准的 1578 个药物仅仅靶向了 667 种靶蛋白，其中小分子药物靶向了 549 种，大分子药物靶向了 146 种，仅占潜在靶点的 1/3。大量潜在靶点受限于小分子药物的局限性难以开发药物。或许我们可以借用期刊《Nature Reviews Drug Discovery》2022 年刊载的题为“PROTAC targeted protein degraders: the past is prologue”的文献综述来一窥未来药物发展新篇章。

小分子靶向药物发展：从抑制到降解

小分子药物开发通常聚焦于筛选高亲和力的抑制剂。小分子抑制剂可通过与靶向蛋白的活性位点或变构位点紧密结合，需要持续占据该位点以阻断其功能，从而达到治疗效果，这是一种“占位驱动”（Occupancy-driven pharmacology）的作用模式。因此，传统小分子靶向药物具有以下特点：

需以高亲和力持续占据蛋白的活性位点

需足够高的药物剂量使靶点饱和

需半衰期足够长能持续抑制

“占位驱动”模式要求靶蛋白上具有可被小分子“占据”的明确“活性口袋”，而在已被解析的疾病相关蛋白中有高达 80% 的蛋白表面相对平滑，小分子难以稳定结合导致小分子抑制剂的效果不甚理想，这些靶蛋白通常也被称为难以成药的靶点。

另一方面，人体内存在天然蛋白质降解系统：泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统，其主要作用是维持细胞内的蛋白稳态，包括调节蛋白的数量以及异常蛋白的消除，因而靶向蛋白降解（Targeted protein degradation, TPD）技术成为近年药物发现领域一种极具前景的策略。其中，约有 80% 的蛋白由泛素-蛋白酶体系统（UPS）完成降解。

泛素－蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）

泛素－蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）是细胞内蛋白质降解的主要途径，参与细胞内80%以上蛋白质的降解。UPS 由泛素（ubiquitin, Ub）、泛素活化酶（ubiquitin-activating enzyme, E1）、泛素结合酶（ubiquitin-conjugating enzyme, E2）、泛素连接酶（ubiquitin ligase, E3）、26S 蛋白酶体及底物蛋白构成。泛素是一个由 76 个氨基酸组成的多肽，广泛存在于各类真核细胞中。泛素经 E1 的活化后可和 E2 结合，随后在 E3 的催化下和底物蛋白上的一个赖氨酸残基结合，带上泛素标签的底物蛋白随后被 26S 蛋白酶体识别并降解。

E3 连接酶需要识别降解的蛋白并将泛素连接到该蛋白上，是 UPS 的关键因素，人体中约有 600 种 E3 连接酶，按照催化机制的不同可分为 RING、HECT、RBR 三大类：RING 可将和 E2 结合的泛素直接转移到底物上，而 HECT 和 RBR 先将泛素转移到自身上作为过渡，再将自身上的泛素转移到底物上。从数量来看，RING 类 E3 连接酶超过 500 种，而 HECT 和 RBR 类仅分别有 28 种和 14 种。

图 1. 泛素-蛋白酶体系统和 E3 泛素连接酶分类 ( a. 蛋白经 UPS降解示意图 b. 三种 E3 连接酶类型 c. RING 类 E3 连接酶 ) ^[2]

PROTAC（Proteolysis Targeting Chimera, 蛋白靶向降解嵌合体）

图 2. 靶向蛋白降解中不同结合模式对比（a. 通过 protac 分子将靶蛋白与 E3 泛素连接酶 CRBN 结合 b. 分子胶类免疫调节剂（immunomodulatory drug,IMiDs））^[3]

目前，靶向蛋白降解剂可分为 PROTAC（Proteolysis Targeting Chimera）分子和分子胶（Molecular glue）两大类。

上世纪 90 年代初，哈佛大学的化学生物学家斯图尔特·施赖伯（Stuart Schreiber）团队发现环孢菌素 A 具有类似“胶水”的功能，将亲环素与钙调节神经磷酸酶这两种蛋白相结合，进而提出了“分子胶”的概念。分子胶通常为单价小分子（分子量小于 500Da），其具体作用机制为改变 E3 连接酶表面，从而阻断 E3 连接酶与天然底物的结合，诱导待降解的特定蛋白结合于 E3 连接酶，进一步促进特定蛋白的泛素化修饰，最后使其被蛋白酶体降解。其代表药物包括沙利度胺、来那度胺和泊马度胺等免疫调节剂（immunomodulatory drug, IMiDs），已在多发性骨髓瘤等疾病治疗中取得显著效果。

以沙利度胺（商品名“反应停”）为例，上世纪六十年代，沙利度胺因具有镇静催眠作用且能有效抑制孕妇晨吐，而被作为新型镇静催眠类非处方药在德国获批上市。随后，由于母亲在孕期过度服用沙利度胺而导致胎儿“海豹样肢体畸形”，引发了二十世纪最为著名的药害事件——“反应停事件”，这也是全球药物警戒史上的里程碑事件。随后，沙利度胺被发现对多种难治性疾病都具有较好的疗效，但其药理作用机制并不明确。直到后来科学家发现沙利度胺分子部分结构能够与 CRBN（E3 泛素连接酶）相互作用，另一部分能够连接至 IKZF1/3 蛋白，从而诱导该两种蛋白靠近，随后 CRBN 泛素化 IKZF1/3，导致 IKZF1/3 被蛋白酶体降解，继而调降下游 MYC/SALL4/IRF4/TNF-α 等蛋白的表达，从而发挥抗血管生成、抑制细胞增殖、抗炎症反应等作用。

图 3. 基于 UPS 的 PROTAC 的作用机制^[1]

PROTAC 分子则由三部分构成：E3 泛素连接酶配体、靶蛋白配体及 Linker；E3 泛素连接酶配体负责特异性招募 E3 泛素连接酶；靶蛋白配体用于靶向和捕获目标蛋白。因此，PROTAC 分子能够将 E3 泛素连接酶募集到靶蛋白附近，为靶点蛋白贴上泛素标签。而在细胞中打上泛素标签的蛋白将被送入蛋白酶体进行降解。这样 PROTAC 分子就能够特异性地促进致病蛋白的降解。

传统抑制剂的“占位驱动”，需要足够大的药物剂量使靶点饱和；足够长的半衰期保证持续抑制；足够高的亲和力能竞争过原底物。随之也会带来诸多问题，如高剂量带来的毒副作用过大；高亲和力容易导致脱靶毒性及耐药性。相较于小分子靶向抑制剂“占位驱动”的模式，PROTAC 发挥作用不需与靶蛋白紧密结合，主要取决于 E3 连接酶和靶蛋白的相互靠近（事件驱动，Event-driven pharmacology）。药物无需直接抑制目标蛋白的功能活性，也无需与目标蛋白长时间和高强度的结合；理论上只要靶蛋白上有裂缝、缺口等可以提供短暂“着力点”即可，可以破坏蛋白质的酶和非酶功能（例如支架）或转录功能，而不是单单抑制蛋白的活性，可以克服传统小分子的耐药性。并且 PROTAC 引发靶蛋白降解后即可从复合物中解离，理论上可以循环使用。

表 1. PROTACs 与分子胶降解剂 (Molecular Glue Degrader, MGDs) 参数对比^[5]

目前，在人类基因组约 600 个 E3 泛素连接酶中，只有不到 10 个被开发用于靶向蛋白质降解，已公布的 PROTAC 分子中又以靶向 CRBN E3 泛素连接酶为主；而CRBN也成为了药物发现科学家最热衷于设计相关药物结构的研究方向，这很大程度源于以下因素：（a）在人体组织中广泛表达，（b）明确的作用机制，（c）明确证明的临床疗效，（d）靶向 CRBN 的化合物具有低分子量，类药性等特点。

表 2. 常用 E3 连接酶配体及其参数^[5]

在 FDA 批准的相关药物中，沙利度胺 (Thalidomide)，来那度胺 (Lenalidomide) ，泊马度胺 (Pomalidomide) 以及试验药物伊伯多胺 (Iberdomide, CC-220) 或 CC-8859，这类药物均具有基于结合 CRBN 的异吲哚啉酮或邻苯二甲酰亚胺结构，唯一例外的是具有喹唑啉酮结构的试验药物 Avadomide。这三类传统的结合 CRBN 的结构不仅可以用来直接设计相关治疗药物，如今更被用来作为 Protac 药物中招募 E3 泛素连接酶的配体结构，已报导的药物包括在临床试验中的 ARV-471，ARV-110 和 NX-2127。