研發(fā)新寵！PROTAC淘金熱度或趕超蛋白激酶抑制劑和單抗？

       當(dāng)生化學(xué)家Craig Crews首次設(shè)法讓一種奇怪的新化合物使蛋白質(zhì)消失時，他把這當(dāng)作是一種“魔術(shù)戲法”，一種“好玩的化學(xué)好奇心”。

       今天，這種“把戲”正吸引著來自羅氏、輝瑞、默克、諾華和葛蘭素史克等公司數(shù)十億美元的投資。“可以推斷，幾乎每家公司在這個領(lǐng)域都有項目，”安進(jìn)全球研究高級副總裁及Crews的早期合作者Raymond Deshaies說。

       該藥物策略稱為靶向蛋白質(zhì)降解，即利用細(xì)胞的天然系統(tǒng)來清除不需要或受損的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)降解物有多種類型，而今年正在進(jìn)行臨床試驗的類型是Crews在耶魯大學(xué)花了20多年開發(fā)出來的——靶向蛋白降解嵌合體（PROTACs）。

       大而難處理，PROTACs就藥物的定義向傳統(tǒng)觀念發(fā)起挑戰(zhàn)，但它們也有可能解決一些不可戰(zhàn)勝的疾病。因為它們破壞而不是抑制蛋白質(zhì)，并且可以與其他藥物無法結(jié)合的蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，蛋白質(zhì)降解劑可被用來追蹤藥物開發(fā)者長期以來認(rèn)為“無成藥性的”的目標(biāo)：癌癥的加劇物如蛋白質(zhì)MYC，或阿爾茨海默病中的tau蛋白質(zhì)。

       英國鄧迪大學(xué)生物化學(xué)家Alessio Ciulli說，“這是一個新的領(lǐng)域，違反了我們認(rèn)為有藥可靶的規(guī)則。”

       該領(lǐng)域理應(yīng)保持樂觀。2014年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)骨髓瘤治療藥物來那度胺與蛋白質(zhì)降解劑的作用相似，可以消解兩種以前不能消解的蛋白質(zhì)。然而，并沒有缺乏數(shù)據(jù)來證實PROTAC和其他新興化合物可以使這些無成藥性的蛋白質(zhì)消失，關(guān)于其在體內(nèi)的作用位置和方式也存在疑問。

       目前，所有的目光都集中在Crews創(chuàng)立的生物技術(shù)公司——Arvinas。該公司計劃開始針對前列腺癌測試一種PROTAC，攻擊其他藥物成功靶向的蛋白質(zhì)。

       學(xué)術(shù)實踐

       上圖中，PROTACs看起來像啞鈴，其分子由兩個通過一條細(xì)繩連接的結(jié)合末端組成。在末端起作用時，一個抓住目標(biāo)蛋白質(zhì)，另一個鎖住泛素連接酶（細(xì)胞天然垃圾處理系統(tǒng)的一部分），通過擊打一種叫做泛素的小蛋白來標(biāo)記有缺陷或受損的蛋白質(zhì)。泛素標(biāo)簽充當(dāng)“請收集”貼紙，指示細(xì)胞中的蛋白質(zhì)粉碎機（稱為蛋白酶體）進(jìn)行工作。

       鄰位連接（Proximity）在生物學(xué)中有很多，通過簡單地將連接酶和靶蛋白結(jié)合在一起，PROTAC就可確保目標(biāo)被標(biāo)記為破壞。連接酶有效且泛素充足，因此單個PROTAC應(yīng)該能夠在整個細(xì)胞中反復(fù)執(zhí)行抓捕和釋放功能。

       最早關(guān)于類似PROTAC分子描述的出版是在1999年，來自馬里蘭州的一家生物技術(shù)公司Proteinix的兩位科學(xué)家。在專利中，John Kenten和Steven Roberts提出了利用細(xì)胞的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)。對此同事們并不認(rèn)同，認(rèn)為同時結(jié)合兩種蛋白質(zhì)（不需要的蛋白質(zhì)和連接酶）會使藥物發(fā)現(xiàn)變得復(fù)雜。

       美國的另一邊，另一隊人也在思考同樣的想法。1998年，在華盛頓西北部的研究結(jié)束后，Deshaies在Crews的一張海報前停了下來，聽他談?wù)撚眯》肿訉煞N蛋白質(zhì)連接到一起。當(dāng)時的Deshaies是加州理工學(xué)院的生物化學(xué)家，在泛素連接酶方面有深入研究。人類基因組能編碼其中的大約600個，需要與其他蛋白質(zhì)形成復(fù)合物來進(jìn)行標(biāo)記。約一年前，Deshaies等人共同發(fā)現(xiàn)了一個蛋白質(zhì)家族，現(xiàn)已知其含有250個泛素連接酶。Deshaies回想道：“如果能將泛素連接酶連接起來，可能就會出現(xiàn)蛋白質(zhì)的泛素化及其降解。”

       Crews當(dāng)時正在開發(fā)一種與PROTACs作用相反的藥物，其可阻斷細(xì)胞中的泛素系統(tǒng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)處于危險水平，并最終引發(fā)細(xì)胞死亡。這項研究的結(jié)果就是carfilzomib（Kyprolis），現(xiàn)被用于治療血癌多發(fā)性骨髓瘤。Crews說：“我認(rèn)為反面的研究同樣有趣。事實證明確實如此。”

       Crews和Deshaies很快發(fā)表了一篇研究，證明他們的首個PROTAC（Protac-1）在爪蟾蛙卵提取物中成功地靶向目標(biāo)并使癌癥相關(guān)的蛋白（METAP2）出現(xiàn)降解。

       Protac-1遠(yuǎn)遠(yuǎn)稱不上一種藥物，Crews稱這是一次“學(xué)術(shù)實踐”。

       第一代PROTACs依靠大而笨拙的肽鏈來結(jié)合連接酶，在人體細(xì)胞中的活性很低，因此必須找到一種方法使該連接酶結(jié)合末端更像藥物一樣。在葛蘭素史克的資助和研究支持下，Crews繼續(xù)推進(jìn)，主要靶向一種特別的連接酶——VHL綜合癥抑癌基因。2012年，Crews與他的團隊報道了一種用于VHL的小分子黏合劑。Crews終于開始相信PROTACs可以成為藥物。

       誘捕小分子

       Crews并不是唯一一個深究蛋白質(zhì)降解的人。2010年，波士頓Dana-Farber癌癥研究所的化學(xué)生物學(xué)家James Bradner讀了一篇由東京工業(yè)大學(xué)Hiroshi Handa帶領(lǐng)的日本研究小組的論文。Handa一直在研究為什么沙利度胺（20世紀(jì)50年代末和60年代初在一些國家被批準(zhǔn)用于懷孕期間的惡心）會導(dǎo)致肢體發(fā)育出現(xiàn)問題。使用沙利度胺作為誘餌捕獲細(xì)胞中的蛋白質(zhì)，Handa研究發(fā)現(xiàn)該藥可以鉤住并阻斷一種叫做cereblon的泛素連接酶的活性，這種抑制會影響斑馬魚和小雞的肢體生長和發(fā)育。

       Bradner意識到，如果沙利度胺與泛素連接酶結(jié)合，或許能找到方法來結(jié)合相同的連接酶，但要靶向與疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)。2013年，Buckley加入Bradner的團隊，他們開始尋找能與cereblon相結(jié)合的小分子。

       3D structure of PROTAC MZ1 bound to E3 ligase von Hippel-Lindau complex and target Brd4 bromodomain

       2015年5月、6月，Bradner、Ciulli和Crews帶領(lǐng)的三個小組發(fā)表了五篇單獨的論文，都是描述PROTACs具有效力且有類似藥物活性。與GSK的Ian Churcher一起，Crews將PROTAC與VHL結(jié)合，將一些蛋白質(zhì)的水平降解至低于其在未經(jīng)處理細(xì)胞中的水平的10％。Bradner團隊將PROTAC用于降低致癌蛋白的水平，Ciulli團隊將VHL作為連接酶來降解相同的蛋白。

       除了設(shè)計類似藥物的蛋白質(zhì)降解劑，Crews和Bradner的團隊各自都建立了系統(tǒng)（分別為HaloPROTACs和dTAG），使研究人員能將靶向的蛋白質(zhì)降解作為實驗室里的一種工具，在培養(yǎng)的細(xì)胞以及小鼠中使用基因標(biāo)記對蛋白質(zhì)的破壞進(jìn)行標(biāo)記。

       Bradner于2016年離開了Dana-Farber，成為諾華生物醫(yī)學(xué)研究所的主席，他估計約有30種不同的工具已經(jīng)吸納了該技術(shù)。他說，“要從這些配體中產(chǎn)生真正意義上的藥物，挑戰(zhàn)意義重大。”

       淘 金 熱

       2015年小分子PROTACs爆發(fā)后，已離開該領(lǐng)域的Deshaies寫了一篇評論文章：“PROTACs有可能成為一種主要的新型藥物，或許超過有史以來最熱門的兩個藥物開發(fā)領(lǐng)域（蛋白激酶抑制劑和單克隆抗體）。淘金熱已經(jīng)上演了！”2017年其加入安進(jìn)，負(fù)責(zé)安進(jìn)該領(lǐng)域的工作。

       預(yù)計將于2019年中期開始的Arvinas試驗包括28-36名轉(zhuǎn)移性前列腺癌男性患者，試驗周期為9個月。任何新型藥物都會追求生物學(xué)和毒理學(xué)目標(biāo)，Arvinas的首個候選藥物也不例外。公司希望通過降解而不是抑制該受體，讓PROTAC治療那些已對現(xiàn)有藥物產(chǎn)生耐性性或沒有從現(xiàn)有藥物中受益的患者。

       還有一點存在疑問——蛋白質(zhì)降解劑是否可以在人體中發(fā)揮作用。完全組合的PROTAC打破了傳統(tǒng)的藥物實踐經(jīng)驗法則，其中最主要的是大小。好的小分子藥物通常小于500 dalton，而目前的PROTACs大小則超1,000 dalton。因此Crews懷疑分子進(jìn)入細(xì)胞是因為它們可能被細(xì)胞膜識別為兩個碰巧被拴在一起的小分子，而不是一個大分子。

       許多難攻克的蛋白質(zhì)靶標(biāo)的問題在于，大多數(shù)小分子藥物或單克隆抗體需要與酶或受體上的活性位點結(jié)合才能發(fā)揮作用，但人類細(xì)胞中80％的蛋白缺乏類似活性位點。然而PROTACs可通過任何角落、裂縫或縫隙抓住蛋白質(zhì)，不需要活性位置就能發(fā)揮作用。

       已有一些證據(jù)支持該方法。去年，倫敦癌癥研究所的一個研究小組研究了一種小分子，不需要活性位點就可與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)合。它們通過給泛素連接酶cereblon附著黏合劑產(chǎn)生有效的PROTAC。

       但該領(lǐng)域仍缺乏已發(fā)表的證據(jù)來證實PROTAC可靶向并降解有價值、無成藥性的蛋白質(zhì)。Deshaies說，針對很難結(jié)合的一個未命名的高價值癌癥靶點，安進(jìn)的PROTAC在培養(yǎng)的細(xì)胞中和動物體內(nèi)顯示都有效。Arvinas在其網(wǎng)站上稱，直接注射其tau蛋白質(zhì)降解劑到小鼠海馬后，tau水平降低了50％。

       通過開發(fā)針對一系列疾病的PROTACs，Taylor表示許多研究者希望證明該技術(shù)是“治療領(lǐng)域不可知論的”。各個團隊也在努力擴大連接酶庫。目前主要使用的有四種，包括VHL和cereblon，可利用連接酶的廣泛性可使藥物開發(fā)者將最有效的連接酶-PROTAC組合與其細(xì)胞類型或目的蛋白質(zhì)相匹配。

       受到新目標(biāo)、效力的提高和即將開始的臨床試驗的鼓舞，研究者們已準(zhǔn)備好證明蛋白質(zhì)降解劑不僅僅是一種魔術(shù)戲法。Ciulli說，“沒有任何限制，只是時間問題。”

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