合成致死黃金賽道：PARP

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作者：雨巷少年來(lái)源：藥渡

2023-02-14

近年來(lái)，合成致死是腫瘤靶向治療領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。PARP抑制劑是首個(gè)基于合成致死概念取得成功的藥物。所謂合成致死，是指兩個(gè)非致死性基因同時(shí)被抑制，導(dǎo)致細(xì)胞死亡的現(xiàn)象。研究表明，多聚ADP核糖聚合酶PARP是存在于多數(shù)真核細(xì)胞中的一個(gè)多功能蛋白質(zhì)翻譯后修飾酶，它在各種細(xì)胞功能中起著至關(guān)重要的作用。

PARP的抑制作用對(duì)腫瘤細(xì)胞具有顯著的致死性，目前，PARP成為發(fā)現(xiàn)新型抗腫瘤藥物的重要靶點(diǎn)。因此，研究人員一直致力于開發(fā)新型和有效的PARP抑制劑用于癌癥治療。此外，聯(lián)合抑制PARP和具有協(xié)同作用的靶點(diǎn)可能為提高當(dāng)前抗癌方案的有效性提供一種合理的策略。同時(shí)，基于PARP抑制劑的PROTAC也為克服PARP耐藥問(wèn)題提供了新的研究思路。

PARP家族成員及其功能

根據(jù)PARP結(jié)構(gòu)和功能的不同，可分為四個(gè)類型:（圖1）

1、依賴DNA的PARP酶，即PARP-1、PARP-2和PARP-3 (Vault-PARP)

2、端錨聚合酶，即PARP5A和PARP-5B

3、含有Trp-Trp-Glu PARP結(jié)合域和含有cys - cys - his鋅指的PARP酶，即PARP-7、PARP-12、PARP-13.1和PARP13.2

4、Macro PARP，即PARP-9, PARP14和PARP-15

其中，PARP1是PARP家族中最主要的成員，其在細(xì)胞中承擔(dān)著PARP家族90 %以上的功能，是DNA損傷修復(fù)中的關(guān)鍵作用因子。

圖1.PARP家族及其生物學(xué)功能

1.1PARP-1

PARP-1由以下三個(gè)結(jié)構(gòu)域組成:一個(gè)自動(dòng)修飾結(jié)構(gòu)域，一個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DBD)和一個(gè)催化結(jié)構(gòu)域。PARP-1被研究得最充分的功能之一是與DNA修復(fù)有關(guān)。當(dāng)一些DNA修復(fù)基因，如BRCA1和BRCA2失去功能時(shí)，PARP-1抑制可能是致命的。這些DNA修復(fù)基因在各種癌癥中經(jīng)常發(fā)生突變。因此，PARP-1抑制劑可以有效地選擇性靶向具有DNA修復(fù)途徑缺陷的惡性細(xì)胞。此外，PARP-1還在其他核生理過(guò)程中發(fā)揮作用。例如染色質(zhì)的調(diào)節(jié)，核交通，核糖體生物發(fā)生和表觀遺傳。除上述功能外，它還參與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。

1.2 PARP-2

PARP-2具有與PARP-1相似的功能區(qū)域，包括DNA結(jié)合域、E域和F域(催化域)。DBD包含一個(gè)核定位信號(hào)，負(fù)責(zé)DNA結(jié)合。結(jié)構(gòu)域 E作為一個(gè)自動(dòng)修飾域、一個(gè)蛋白-蛋白相互作用域和一個(gè)同型二聚化界面。PARP-2的自聚(adp -核糖化)發(fā)生在賴氨酸36和37以及結(jié)構(gòu)域E上，它們是同時(shí)乙?；哪繕?biāo)底物。此外，PARP-2被發(fā)現(xiàn)與許多蛋白質(zhì)相互作用。這些蛋白質(zhì)參與多種功能，如DNA修復(fù)、DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞周期、細(xì)胞死亡、能量穩(wěn)態(tài)、代謝和RNA代謝等。

1.3 PARP-3

最近的研究表明，PARP-3可以催化多種蛋白質(zhì)的翻譯后修飾，參與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、能量代謝和細(xì)胞死亡等生物過(guò)程。PARP-3已被發(fā)現(xiàn)與參與轉(zhuǎn)錄沉默的多梳蛋白有關(guān)。此外，它還與DNA修復(fù)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，包括非同源末端連接和堿基切除修復(fù)/單鏈斷裂修復(fù)，這表明PARP3參與了基因組完整性的維護(hù)。此外，PARP-3通過(guò)調(diào)節(jié)和關(guān)聯(lián)有絲分裂組分Tankyrase 1和NuMA，被認(rèn)為是端粒完整性和有絲分裂紡錘體穩(wěn)定的關(guān)鍵角色。這些功能為PARP-3靶向治療癌癥帶來(lái)了廣闊的前景。

1.4 PARP-5A and PARP-5B

PARP- 5a(也稱為Tankyrase 1)由一個(gè)氨基端結(jié)構(gòu)域、一個(gè)錨蛋白結(jié)構(gòu)域、一個(gè)羧基端PARP催化結(jié)構(gòu)域和一個(gè)SAM結(jié)構(gòu)域組成。PARP-5B(也稱為Tankyrase 2和ARTD6)與PARP-5A相關(guān)，但缺乏N端HPS結(jié)構(gòu)域。PARP-5B的錨蛋白結(jié)構(gòu)域與PARP-5A的同源性為83%，SAM結(jié)構(gòu)域與PARP-5A的同源性為74%。C端PARP域是高度保守的。錨蛋白結(jié)構(gòu)域與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用有關(guān)。

PARP-5A和PARP-5B的SAM結(jié)構(gòu)域與自寡聚有關(guān)，而HPS域的功能目前未知。PARP-5A和PARP-5B可以催化底物蛋白的聚adp -核糖化，這與PARP-1的酶活性相似。根據(jù)先前的報(bào)道， PARP-5A在代謝穩(wěn)態(tài)、端粒維持和細(xì)胞周期調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用，并通過(guò)調(diào)節(jié)Wnt/b-catenin信號(hào)通路促進(jìn)腫瘤發(fā)展。此外，它在一些癌癥中表達(dá)異常，如星形細(xì)胞瘤。PARP-5B對(duì)代謝穩(wěn)態(tài)和端粒維持很重要，可以調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞中的Wnt/b-catenin信號(hào)通路。

1.5 其他PARP家族成員

除上述PARP家族成員外，其他成員也在細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和腫瘤進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。PARP-6參與細(xì)胞凋亡和增殖的調(diào)控。PARP-7被發(fā)現(xiàn)是芳基烴受體調(diào)節(jié)劑; PARP-8與皮膚、頭發(fā)和指甲異常有關(guān)。雖然PARP-9具有羧基末端氨基酸序列，但它缺乏PARP活性。它可能促進(jìn)許多實(shí)體腫瘤(如前列腺腫瘤)的復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移和化療耐藥。此外，PARP-9在膠質(zhì)瘤中異常過(guò)表達(dá)，并參與各種腫瘤促進(jìn)免疫和炎癥反應(yīng)。

PARP-10參與細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞增殖和凋亡調(diào)控以及基因組完整性的維持。PARP-11可以調(diào)節(jié)I型干擾素信號(hào)，被證實(shí)為特發(fā)性哺乳動(dòng)物畸形精子癥的潛在相關(guān)因素。PARP-12可以被認(rèn)為是細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵中樞。PARP-13是眾所周知的RNAbinding蛋白。此外，PARP-13對(duì)腫瘤的發(fā)展和惡性轉(zhuǎn)化具有保護(hù)作用。PARP-14可促進(jìn)多種癌癥(如肝細(xì)胞癌)的Warburg效應(yīng)，并可調(diào)節(jié)多種惡性腫瘤中jnk2依賴的促生存信號(hào)。

PARP-15是腫瘤發(fā)展的候選基因，據(jù)報(bào)道它與細(xì)胞凋亡有關(guān)，并且由于其調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的能力。PARP-16是一種尾部錨定的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白，其酶活性在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)上調(diào)。

PARP在細(xì)胞中的作用

研究表明，聚(adp -核糖)聚合酶(PARPs)的核酶可以催化PARylation的過(guò)程，通過(guò)將adp核糖殘基從煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)底物上。NAD可以快速識(shí)別各種DNA損傷，然后聚集到損傷部位。隨后，DNA損傷反應(yīng)分子被誘導(dǎo)被招募，然后PARP-1, PARP-2, PARP-3, PARP-5A, PARP-5B等PARP在人體內(nèi)進(jìn)行聚(adp -核糖)(PAR)合成。

此外，PARPs在其他細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，這些反應(yīng)與蛋白質(zhì)和RNA的質(zhì)量控制有關(guān)，特別是未折疊蛋白的反應(yīng)和細(xì)胞質(zhì)應(yīng)激。一些PARPs還能調(diào)節(jié)獲得性免疫，激活免疫細(xì)胞。此外，PARPs通過(guò)調(diào)節(jié)各種細(xì)胞生理過(guò)程，如細(xì)胞分裂、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，在一般、非防御和非應(yīng)激途徑中發(fā)揮額外的作用（圖2）。PARPs參與多種細(xì)胞過(guò)程，因此已成為開發(fā)新型抗腫瘤藥物的重要靶點(diǎn)。

圖2.PARP在細(xì)胞中的作用

PARP抑制劑研究現(xiàn)狀

目前，全球共有6款PARP抑制劑獲批上市，獲批適應(yīng)癥包括輸卵管癌、乳腺癌、卵巢癌等（圖3）。其中，奧拉帕利是首款獲得FDA批準(zhǔn)上市的PARP抑制劑。然而，盡管PARP靶向藥物對(duì)不同類型的惡性腫瘤都有一定的臨床療效，但在臨床使用中，PARP靶向藥物的耐藥性和不良反應(yīng)是一個(gè)新出現(xiàn)的問(wèn)題。

圖3.已上市的PARP抑制劑

基于PARP抑制劑的PROTAC降解劑

靶向蛋白水解嵌合體(PROTAC)分子是一種含兩個(gè)配體和一個(gè)連接體的雜雙功能分子。兩種配體可特異性結(jié)合E3泛素連接酶和靶蛋白。這些分子能夠?qū)⒛繕?biāo)蛋白驅(qū)動(dòng)到E3泛素連接酶，然后形成三元復(fù)合物，導(dǎo)致目標(biāo)蛋白泛素化，進(jìn)而誘導(dǎo)蛋白酶介導(dǎo)降解（圖4）。

近年來(lái)，PROTACs策略已被廣泛用于誘導(dǎo)ALK、BET和CDK9.181?184等靶蛋白的降解，與傳統(tǒng)抑制劑相比，PROTACs具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，它們不需要位于目標(biāo)蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)就能起作用。此外，PROTAC在克服耐藥性以及不可成藥靶點(diǎn)方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。更重要的是，它們?cè)谳^低劑量下就能發(fā)揮作用，從而為開發(fā)強(qiáng)效抗腫瘤藥物提供了極好的機(jī)會(huì)。

圖4. PROTAC作用機(jī)制

4.1 基于PARP單靶點(diǎn)PROTAC

目前，已成功報(bào)道了幾種PARP-1降解劑（圖5），可有效降解各種耐藥腫瘤細(xì)胞中的PARP-1，這為改善PARP-1過(guò)度激活引起的病理狀況提供了一種有前景的方法。

圖5.靶向PARP的單靶點(diǎn)PROTAC

4.2 基于PARP的雙靶點(diǎn)PROTAC

受到雙靶向藥物特別是雙特異性抗體研制的重大突破的啟發(fā)，華中科技大學(xué)李華課題組基于EGFR抑制劑吉非替尼和PARP抑制劑奧拉帕利為靶頭化合物，合成不同鏈接長(zhǎng)度和不同E3連接酶（CRBN-和VHL-）招募的EGFR和PARP蛋白雙重靶向降解嵌合分子（Dual PROTACs），在細(xì)胞水平成功地同時(shí)降解癌細(xì)胞內(nèi)的EGFR和PARP蛋白（圖6）。

值得注意的是，這是Dual PROTACs第一個(gè)成功的例子，極大地拓展了PROTAC技術(shù)的應(yīng)用，為PROTAC領(lǐng)域的研究提供了新思路。當(dāng)然，Dual PROTACs存在分子量增大而導(dǎo)致透膜性差和藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)不佳等問(wèn)題。要解決這些問(wèn)題可能有兩個(gè)策略，一個(gè)方向是采用載藥系統(tǒng)進(jìn)行遞送以改善藥物的吸收，另一個(gè)方向就是簡(jiǎn)化PROTAC結(jié)構(gòu)，以縮小分子量。