分子膠降解劑的合理設(shè)計(jì)：基于化學(xué)手柄的分子膠設(shè)計(jì)策略

       1、分子膠降解劑：小分子藥物新機(jī)會(huì)

   圖1.分子膠降解劑總覽及理性發(fā)現(xiàn)策略

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

       分子膠降解劑是靶向蛋白降解（TPD）領(lǐng)域的一種創(chuàng)新藥物，它們通過(guò)誘導(dǎo)E3泛素連接酶與目標(biāo)蛋白（POI）之間的相互作用來(lái)促進(jìn)POI的泛素化和隨后的蛋白酶體降解。與傳統(tǒng)的PROTACs類(lèi)似，分子膠降解劑可以催化地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)蛋白的降解，但它們的作用機(jī)制和設(shè)計(jì)原則有所不同。分子膠降解劑可能僅對(duì)E3連接酶或POI具有親和力，通過(guò)首先與它有親和力的蛋白質(zhì)結(jié)合，然后通過(guò)結(jié)合后暴露在結(jié)合口袋外的部分與周?chē)鷼埢纬尚碌南嗷プ饔帽砻?，招募另一個(gè)相互作用伙伴。相比PROTACs，分子膠降解劑通常具有更小的分子量，更符合“Ro5”改善了口服生物利用度和藥代動(dòng)力學(xué)特性，能夠靶向傳統(tǒng)小分子藥物和PROTACs難以靶向的蛋白質(zhì)（圖2）。

圖2.分子膠比PROTAC更符合“Ro5”

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       然而，分子膠降解劑的設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兺ǔＨ狈ε潴w口袋，而且對(duì)PPI界面的了解有限。許多分子膠降解劑的發(fā)現(xiàn)是通過(guò)偶然或合理的發(fā)現(xiàn)，例如通過(guò)研究已知藥物如IMiDs的機(jī)制?，F(xiàn)有“理性設(shè)計(jì)”策略大多是通過(guò)藥物化學(xué)手段在已有分子膠化合物基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)與成藥性優(yōu)化，所以，非常需要一種將蛋白質(zhì)靶向配體轉(zhuǎn)化為分子膠降解劑的合理化學(xué)設(shè)計(jì)思路，促進(jìn)基于靶標(biāo)的模塊化分子膠設(shè)計(jì)策略（圖3）。

圖3.分子膠降解劑的發(fā)展

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       2、基于化學(xué)手柄的分子膠設(shè)計(jì)策略

       2023年4月，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Daniel教授研究團(tuán)隊(duì)在ACS Central Science期刊上發(fā)表了一篇文章，在文章中Daniel教授研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種模塊化的化學(xué)手柄，實(shí)現(xiàn)了將多種類(lèi)型的蛋白靶向配體轉(zhuǎn)化為分子膠降解劑的突破。為了確定可能將蛋白質(zhì)靶向配體轉(zhuǎn)化為其靶標(biāo)的分子膠降解劑的潛在結(jié)構(gòu)片段，他們以CDK4/6抑制劑ribociclib為例，發(fā)現(xiàn)了一種能夠誘導(dǎo)CDK4降解的共價(jià)手柄。進(jìn)一步改造和優(yōu)化后，開(kāi)發(fā)了一種更優(yōu)含有富馬酸和哌嗪結(jié)構(gòu)的最小共價(jià)結(jié)構(gòu)單元，展示了一個(gè)通用的模塊化的化學(xué)手柄。分別在多個(gè)靶蛋白配體上連接該化學(xué)手柄得到分子膠降解劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)CDK4，BCR-ABL 和c-ABL，PDE5，BRD4，AR 和AR-V7，BTK，SMARCA2/4，HDAC1/3，LRRK2 等多種蛋白質(zhì)的有效降解（圖4）。該研究對(duì)將蛋白質(zhì)靶向配體轉(zhuǎn)變成單價(jià)分子膠降解劑的化學(xué)合理性設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4.含有富馬酸和哌嗪結(jié)構(gòu)的最小共價(jià)結(jié)構(gòu)單元

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       在2024年5月發(fā)表的論文《DCAF16-Based Covalent Handle for the Rational Design of Monovalent Degraders》中，Daniel教授的研究團(tuán)隊(duì)采用了一種創(chuàng)新的共價(jià)片段—乙烯基磺酰基哌嗪，成功地將多個(gè)小分子抑制劑轉(zhuǎn)化為能夠特異性降解目標(biāo)蛋白的分子膠。與以往研究不同的是，他們選擇的E3連接酶是DCAF16，而非RNF126。研究團(tuán)隊(duì)以BET家族抑制劑JQ1為模型，合成了一系列共價(jià)JQ1衍生物，并篩選出了一種乙烯基磺?；哙菏直撌直诩?xì)胞中能夠高效且選擇性地降解BRD4蛋白。此外，研究還證實(shí)了這種共價(jià)手柄的通用性，能夠被應(yīng)用于多種蛋白質(zhì)靶向配體，以促進(jìn)CDK4、雄激素受體、BTK、SMARCA2/4以及BCR-ABL/c-ABL等不同類(lèi)別蛋白質(zhì)的降解（圖5）。該研究不僅探索了共價(jià)手柄的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，還深入研究了E3連接酶的選擇性以及共價(jià)手柄在不同蛋白質(zhì)靶標(biāo)中的應(yīng)用潛力，從而展示了其作為一種平臺(tái)技術(shù)的廣闊前景。

圖5.含有乙烯基磺?；哙汗矁r(jià)化學(xué)手柄

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       7月29日，斯坦福大學(xué)藥學(xué)院的Nathanael S. Gray教授、哈佛大學(xué)藥學(xué)院的Eric S. Fischer教授，以及哈佛大學(xué)藥學(xué)院的Benjamin L. Ebert教授在Nature Chemical Biology期刊上共同發(fā)表了題目為《Template-assisted covalent modification underlies activity of covalent molecular glues》的研究文章，在這項(xiàng)研究中，他們提出了“模板輔助共價(jià)修飾”這一新機(jī)制，為分子膠降解劑的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新途徑。此前，這些科學(xué)家基于溴結(jié)構(gòu)域的廣泛抑制劑JQ1，開(kāi)發(fā)了一種可降解BRD4的JQ1衍生物GNE-0011，GNE-0011的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙地將JQ1苯環(huán)末端的氯原子替換為氨基丙炔，實(shí)現(xiàn)了共價(jià)招募DCAF16以降解BRD4。在最新研究中，研究人員首先證實(shí)GNE-0011能夠特異性誘導(dǎo)含有BRD4第二溴結(jié)構(gòu)域的蛋白底物降解，其在16h的最大降解深度約為50%。隨后，他們對(duì)GNE-0011進(jìn)行了深入的構(gòu)效關(guān)系研究，通過(guò)改變親電共價(jià)基團(tuán)，揭示了其作用機(jī)制，并報(bào)道了一類(lèi)新的分子膠降解劑設(shè)計(jì)的化學(xué)手柄（圖6），為今后分子膠理性設(shè)計(jì)的策略提供思路。

圖6.一類(lèi)新的分子膠降解劑設(shè)計(jì)的化學(xué)手柄

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[5]

       3、寫(xiě)在最后

       近年來(lái)，TPD領(lǐng)域取得了驚人的進(jìn)展，該方法的通用性是不可否認(rèn)的。我們?cè)诙鄠€(gè)方面見(jiàn)證了激動(dòng)人心的時(shí)刻：一些被批準(zhǔn)的藥物被認(rèn)為是MG降解劑，一些PROTACs正在臨床試驗(yàn)中，新的TPD方法不斷出現(xiàn)，以及大量合理發(fā)展這些藥理模式的策略和規(guī)則正在出現(xiàn)。分子膠降解劑代表了蛋白質(zhì)降解領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，標(biāo)志著從偶然發(fā)現(xiàn)到有意識(shí)設(shè)計(jì)的飛躍。最初，新型分子膠降解劑的發(fā)掘主要依賴于表型篩選或意外發(fā)現(xiàn)特定E3連接酶（如cereblon）的靶向募集劑。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們迫切需要一種系統(tǒng)的方法，將蛋白質(zhì)靶向配體轉(zhuǎn)化為有效的分子膠降解劑，以推動(dòng)基于目標(biāo)的模塊化分子膠設(shè)計(jì)策略的發(fā)展。設(shè)計(jì)出能針對(duì)多樣化表位和結(jié)合模式的分子膠，將有望顯著擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。盡管分子膠降解劑的設(shè)計(jì)存在挑戰(zhàn)，且需克服耐藥性問(wèn)題，但通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和多元化的發(fā)現(xiàn)策略，其研發(fā)正穩(wěn)步前進(jìn)，并在治療癌癥和其他疾病的潛力上展現(xiàn)出巨大希望。未來(lái)的研究預(yù)計(jì)將進(jìn)一步擴(kuò)展分子膠降解劑的治療應(yīng)用，并提高其療效。

       參考文獻(xiàn)

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       [4]Lim M, Cong TD, Orr LM, Toriki ES, Kile AC, Papatzimas JW, Lee E, Lin Y, Nomura DK. DCAF16-Based Covalent Handle for the Rational Design of Monovalent Degraders. ACS Cent Sci. 2024 May 17;10(7):1318-1331. doi: 10.1021/acscentsci.4c00286.

       [5]Li YD, Ma MW, Hassan MM, Hunkeler M, Teng M, Puvar K, Rutter JC, Lumpkin RJ, Sandoval B, Jin CY, Schmoker AM, Ficarro SB, Cheong H, Metivier RJ, Wang MY, Xu S, Byun WS, Groendyke BJ, You I, Sigua LH, Tavares I, Zou C, Tsai JM, Park PMC, Yoon H, Majewski FC, Sperling HT, Marto JA, Qi J, Nowak RP, Donovan KA, S?abicki M, Gray NS, Fischer ES, Ebert BL. Template-assisted covalent modification underlies activity of covalent molecular glues. Nat Chem Biol. 2024 Jul 29. doi: 10.1038/s41589-024-01668-4.