盡管人類(lèi)在藥物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)做出了長(cháng)足的進(jìn)步，但一場(chǎng)Covid-19卻將人類(lèi)對抗疾病的差距暴露無(wú)疑。在目前FDA批準的療法中，僅針對了人類(lèi)疾病相關(guān)的4500多個(gè)已知基因中的大約750種蛋白。更多的蛋白受體因為沒(méi)有良好的藥物配體，成為了那些選擇有限或者治療效果不佳的疾病的保護傘。為了擺脫這種桎梏，新型的療法不斷被研發(fā)出來(lái)，其中最 具希望的領(lǐng)域之一，在于靶向蛋白質(zhì)降解（TPD, targeted protetin degradation）技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

       靶向蛋白質(zhì)降解劑

       TPD是一個(gè)很廣闊的范疇，包括眾多蛋白質(zhì)定向降解機制，例如著(zhù)名的分子膠（Molecular Glue）和蛋白水解靶向嵌合體 (PROTACs)。這篇文章專(zhuān)注于后者的介紹。

       PROTACs藥物是一類(lèi)異雙功能藥物，一般由三個(gè)組分構成：目標蛋白（POI, Protein of Interest）的靶標結合域（TBM, target binding moiety）、泛素E3連接酶結合域（EBM, ubiquitin E3 ligase binding moiety）、以及連接這兩部分的接頭（圖 1）。在本文中，所稱(chēng)的“降解劑degrader”指的就是由這三個(gè)部分組成的整體分子結構。

       圖1. 靶向蛋白降解劑（TPD）的典型藥物發(fā)現范例: 第 1 階段包括識別選擇性靶標結合域 (TBM)；第 2 階段涉及優(yōu)化 TBM 鏈接向量；在第 3 階段，評估 E3 連接酶結合域 (EBM)；在第 4 階段優(yōu)化接頭。根據每個(gè)階段的結果，可以進(jìn)行迭代過(guò)程以重新優(yōu)化早期的設計元素。

       PROTACs介導的蛋白質(zhì)降解途徑

       UPS（泛素-蛋白酶體系統）

       蛋白質(zhì)穩態(tài)（homeostasis，亦稱(chēng)proteostasis），是指細胞用來(lái)維持蛋白質(zhì)濃度、構象和亞細胞定位的高度復雜且相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程。它包含大量控制蛋白質(zhì)合成、折疊、蛋白質(zhì)轉運和處置的途徑。在真核細胞中，受損的蛋白質(zhì)可被蛋白酶體 (proteasomes) 或溶酶體 (lysosomes) 清除。這兩條途徑相互獨立但又相互關(guān)聯(lián)。

       通常來(lái)說(shuō)，蛋白酶體通過(guò)泛素-蛋白酶體系統 (UPS, ubiquitin–proteasome system) 消除短壽命蛋白質(zhì)和可溶性錯誤折疊蛋白質(zhì)。相比之下，溶酶體負責通過(guò)內吞作用、吞噬作用或自噬途徑降解長(cháng)壽命蛋白質(zhì)、不溶性蛋白質(zhì)聚集體，甚至整個(gè)細胞器、大分子化合物和細菌。

       蛋白酶體是UPS（泛素-蛋白酶體系統）的一部分，負責降解受損、展開(kāi)和無(wú)用的蛋白質(zhì)。除了蛋白酶體，UPS 還包含各種泛素連接酶（ubiquitin ligases）和去泛素化酶 (DUB，de-ubiquitinating enzymes)。

       擁有76 個(gè)殘基的泛素是通過(guò)三種酶的連續介導過(guò)程與目標蛋白質(zhì)結合的：

       Ub 激活酶 (E1)、Ub 結合酶 (E2) 和 Ub 連接酶 (E3)。E1 以 ATP 依賴(lài)性方式與泛素分子結合，然后通過(guò)與 E2 的相互作用將泛素轉移至 E2。接下來(lái)，E3 催化泛素分子從 E2 轉移到受體蛋白底物。這三種酶的重復協(xié)同作用導致底物的多聚泛素化（polyubiquitination）。

       多聚泛素化過(guò)程如下：第一個(gè)泛素分子通過(guò)其 C 端羧基共價(jià)結合到靶蛋白的特定賴(lài)氨酸、半胱氨酸、絲氨酸、蘇氨酸或 N 端。當第二個(gè)泛素的 C 末端連接到第一個(gè)已偶合的泛素分子上的七個(gè)賴(lài)氨酸殘基之一或其N(xiāo)端甲硫氨酸時(shí)，就會(huì )發(fā)生多聚泛素化，從而形成一條鏈。這個(gè)過(guò)程重復幾次，導致添加幾個(gè)泛素。只有泛素分子上特定賴(lài)氨酸介導的多泛素化，主要是 K48 和 K29，才與蛋白酶體的降解有關(guān)（稱(chēng)為“死亡分子之吻”），而其他多泛素化（例如 K63、K11、K6 和 M1）和單泛素化可能調節內吞運輸、炎癥、翻譯和 DNA 修復等過(guò)程。被泛素標記的受體蛋白之后受到26S蛋白酶體的作用而被降解（圖2）。

       圖2. 通過(guò)泛素-蛋白酶體系統 (UPS) 降解蛋白質(zhì)的過(guò)程示意圖。泛素化需要三類(lèi)酶的順序作用：激活酶 (E1)、結合酶 (E2) 和連接酶 (E3)。在A(yíng)TP依賴(lài)的第一步中，E1 結合并激活泛素。然后泛素被轉移到 E2上，形成 E2-泛素中間體。E3連接酶結合中間蛋白和底物蛋白，催化泛素和底物蛋白之間形成異肽鍵，以完成底物蛋白的泛素化和多聚泛素化。去泛素化酶 (DUB) 是負責去泛素化的蛋白酶。從蛋白質(zhì)中切割泛素可以防止蛋白質(zhì)降解。（圖片來(lái)源：ubiquigent.com）

       靶向蛋白質(zhì)降解優(yōu)勢

       相對于傳統小分子療法相比，TPD 具有多種優(yōu)勢：

       首先，由于 TPD的TBM (靶標結合域) 并不需要肩負抑制 POI (目標蛋白) 功能的責任，因此該策略可以適用于更多的 POI，包括許多傳統意義上的不可成藥受體。

       其次，與小分子抑制劑相比，TPD策略中的降解劑 (degrader) 具有更高的選擇性，因為整個(gè)策略的成功，需要經(jīng)歷三元復合物（指的是“POI―TPD藥物―泛素E3連接酶”）的形成、泛素化和降解步驟，只有很高的選擇性才能保證這三個(gè)步驟的實(shí)現。

       第三，鑒于降解過(guò)程徹底消除了 POI 的所有功能，與僅抑制單一 POI 功能的小分子療法相比，降解劑可以提供差異化的藥理學(xué)，這是一個(gè)不可逆的過(guò)程。

       最后，因為每個(gè)降解劑都可以降解多個(gè)副本的 POI （即一個(gè)TPD藥物可以降解多個(gè)目標蛋白），所以可以在低于化學(xué)計量（sub-stoichiometic）的條件下起效。這為降解劑的高效力和低劑量奠定了基礎。

       臨床TPD降解劑化學(xué)結構

       盡管存在超出利平斯基5規則（Ro5）的情況，但批準用于臨床研究的 20 種臨床降解劑中仍然有 14 種用于口服給藥。Arvinas 的兩種口服降解劑 bavdegalutamide (ARV-110) 和 ARV-471，以及 C4 Therapeutics 的口服臨床降解劑 CFT8634，由于其靶標結合域（TBM） 尺寸小，cereblon 泛素E3結合域和短而緊湊的接頭而具有相對較低的分子量（表 1）。相比之下，Dialectic Therapeutics 的可注射降解劑 DT-2216 的化學(xué)結構中，由于結合了較大的 VHL 泛素E3結合域和衍生自小分子抑制劑 navitoclax（分子量975 Da.）的非常大的靶標結合域，因此相對于已知結構的口服TPD降解劑，DT-2216 具有明顯更高的分子量、更多的氫鍵供體和更多的可旋轉鍵。 這四個(gè)候選物所代表的物理化學(xué)特性閾值，勾畫(huà)出了降解劑模態(tài)的當前設計空間。一般來(lái)說(shuō)，相對于類(lèi)似DT-2216 特性的降解劑，ARV-110、ARV-471 和 CFT8634 的類(lèi)似物可能具有更大的口服給藥潛力。

       表1. 臨床TPD降解劑化學(xué)結構（化學(xué)結構中，目標蛋白的靶標結合域以藍色顯示，接頭以黑色顯示，E3 連接酶結合域 以紅色顯示）。

       TPD臨床情況

       為了驗證降解劑模態(tài)的有效性，臨床開(kāi)發(fā)計劃已經(jīng)針對性地展開(kāi)。在美國注冊的臨床試驗中的20 種降解劑中，已有 13 款針對四種目標蛋白【雄激素受體 (AR, androgen receptor)、BRAF-V600X、布魯頓酪氨酸激酶 (BTK, Bruton’s tyrosine kinase) 和雌激素受體 (ER, oestrogen receptor)】 ，而這四種目標蛋白之前已經(jīng)擁有了針對它們的獲批藥物。其余7種降解劑靶向目標蛋白尚未有獲批的治療劑上市，針對這些目標蛋白的小分子正在臨床試驗中，但尚未獲得批準。這些目標蛋白包括白細胞介素 1 受體相關(guān)激酶 4 (IRAK4)、溴結構域蛋白 4 (BRD4)、溴結構域蛋白 9 (BRD9)、信號轉導和轉錄激活因子 3 (STAT3)。TPD臨床狀況見(jiàn)表2。

       表2. 臨床階段的TPD降解劑

       總     結

       靶向蛋白質(zhì)降解 (TPD) 是一種新興的治療方式，具有解決致病蛋白質(zhì)的潛力，這些蛋白質(zhì)在歷史上一直很難用傳統的小分子靶向。自從利用UPS（泛素-蛋白酶體系統）降解靶向蛋白的PROTAC概念被報道以來(lái)的 20 年里，TPD 已經(jīng)從學(xué)術(shù)界轉向工業(yè)界，許多開(kāi)發(fā)商展示了他們臨床前和早期臨床項目發(fā)展。該領(lǐng)域已準備好了針對以前被認為“不可成藥”的受體蛋白。靶向蛋白質(zhì)降解可能成為一種關(guān)鍵的治療方式。交叉領(lǐng)域的協(xié)同進(jìn)步，在未來(lái)將進(jìn)一步推進(jìn)靶向蛋白質(zhì)降解技術(shù)的發(fā)展和應用，這種新型療法方式很有可能為患者提供針對不同適應癥的新治療選擇。

       參考資料：

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       [6] Laramy, M. N. O. et al. Delivering on the promise of protein degraders. Nat Rev Drug Discov (2023). https://doi.org/10.1038/s41573-023-00652-2.

       [General] Laramy, M. N. O. et al. Delivering on the promise of protein degraders. Nat Rev Drug Discov (2023)