靶向蛋白質(zhì)降解綜述：分子結(jié)構(gòu)、機制與臨床現(xiàn)狀

       盡管人類在藥物開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)做出了長足的進步，但一場Covid-19卻將人類對抗疾病的差距暴露無疑。在目前FDA批準的療法中，僅針對了人類疾病相關(guān)的4500多個已知基因中的大約750種蛋白。更多的蛋白受體因為沒有良好的藥物配體，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，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)的開發(fā)。

       靶向蛋白質(zhì)降解劑

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

       PROTACs藥物是一類異雙功能藥物，一般由三個組分構(gòu)成：目標蛋白（POI, Protein of Interest）的靶標結(jié)合域（TBM, target binding moiety）、泛素E3連接酶結(jié)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，所稱的“降解劑degrader”指的就是由這三個部分組成的整體分子結(jié)構(gòu)。

       圖1. 靶向蛋白降解劑（TPD）的典型藥物發(fā)現(xiàn)范例: 第 1 階段包括識別選擇性靶標結(jié)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(jié)合域 (EBM)；在第 4 階段優(yōu)化接頭。根據(jù)每個階段的結(jié)果，可以進行迭代過程以重新優(yōu)化早期的設(shè)計元素。

       PROTACs介導的蛋白質(zhì)降解途徑

       UPS（泛素-蛋白酶體系統(tǒng)）

       蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)（homeostasis，亦稱proteostasis），是指細胞用來維持蛋白質(zhì)濃度、構(gòu)象和亞細胞定位的高度復雜且相互關(guān)聯(lián)的過程。它包含大量控制蛋白質(zhì)合成、折疊、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)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)。

       通常來說，蛋白酶體通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng) (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，溶酶體負責通過內(nèi)吞作用、吞噬作用或自噬途徑降解長壽命蛋白質(zhì)、不溶性蛋白質(zhì)聚集體，甚至整個細胞器、大分子化合物和細菌。

       蛋白酶體是UPS（泛素-蛋白酶體系統(tǒng)）的一部分，負責降解受損、展開和無用的蛋白質(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 個殘基的泛素是通過三種酶的連續(xù)介導過程與目標蛋白質(zhì)結(jié)合的：

       Ub 激活酶 (E1)、Ub 結(jié)合酶 (E2) 和 Ub 連接酶 (E3)。E1 以 ATP 依賴性方式與泛素分子結(jié)合，然后通過與 E2 的相互作用將泛素轉(zhuǎn)移至 E2。接下來，E3 催化泛素分子從 E2 轉(zhuǎn)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）。

       多聚泛素化過程如下：第一個泛素分子通過其 C 端羧基共價結(jié)合到靶蛋白的特定賴氨酸、半胱氨酸、絲氨酸、蘇氨酸或 N 端。當?shù)诙€泛素的 C 末端連接到第一個已偶合的泛素分子上的七個賴氨酸殘基之一或其N端甲硫氨酸時，就會發(fā)生多聚泛素化，從而形成一條鏈。這個過程重復幾次，導致添加幾個泛素。只有泛素分子上特定賴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(diào)節(jié)內(nèi)吞運輸、炎癥、翻譯和 DNA 修復等過程。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. 通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng) (UPS) 降解蛋白質(zhì)的過程示意圖。泛素化需要三類酶的順序作用：激活酶 (E1)、結(jié)合酶 (E2) 和連接酶 (E3)。在ATP依賴的第一步中，E1 結(jié)合并激活泛素。然后泛素被轉(zhuǎn)移到 E2上，形成 E2-泛素中間體。E3連接酶結(jié)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。（圖片來源：ubiquigent.com）

       靶向蛋白質(zhì)降解優(yōu)勢

       相對于傳統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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步驟的實現(xiàn)。

       第三，鑒于降解過程徹底消除了 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，這是一個不可逆的過程。

       最后，因為每個降解劑都可以降解多個副本的 POI （即一個TPD藥物可以降解多個目標蛋白），所以可以在低于化學計量（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(chǔ)。

       臨床TPD降解劑化學結(jié)構(gòu)

       盡管存在超出利平斯基5規(guī)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(jié)合域（TBM） 尺寸小，cereblon 泛素E3結(jié)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 的化學結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)合了較大的 VHL 泛素E3結(jié)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(jié)合域，因此相對于已知結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)鍵。 這四個候選物所代表的物理化學特性閾值，勾畫出了降解劑模態(tài)的當前設(shè)計空間。一般來說，相對于類似DT-2216 特性的降解劑，ARV-110、ARV-471 和 CFT8634 的類似物可能具有更大的口服給藥潛力。

       表1. 臨床TPD降解劑化學結(jié)構(gòu)（化學結(jié)構(gòu)中，目標蛋白的靶標結(jié)合域以藍色顯示，接頭以黑色顯示，E3 連接酶結(jié)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，臨床開發(fā)計劃已經(jīng)針對性地展開。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(jié)構(gòu)域蛋白 4 (BRD4)、溴結(jié)構(gòu)域蛋白 9 (BRD9)、信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子 3 (STAT3)。TPD臨床狀況見表2。

       表2. 臨床階段的TPD降解劑

       總     結(jié)

       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(tǒng)的小分子靶向。自從利用UPS（泛素-蛋白酶體系統(tǒng)）降解靶向蛋白的PROTAC概念被報道以來的 20 年里，TPD 已經(jīng)從學術(shù)界轉(zhuǎn)向工業(yè)界，許多開發(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)同進步，在未來將進一步推進靶向蛋白質(zhì)降解技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，這種新型療法方式很有可能為患者提供針對不同適應(yīng)癥的新治療選擇。

       參考資料：

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       [4] Hanley, S. E. et al. Sorting nexins in protein homeostasis. Cells. 2020, 10, 17.

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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)