解決傳統(tǒng)PROTACs、miRNA療法關(guān)鍵挑戰(zhàn)，miRiaTAC開啟精準(zhǔn)抗癌新征程

       近期，南京大學(xué)張晶晶教授研究團隊針對上述新型PROTAC策略的局限性，以miRNA觸發(fā)的DNA編碼的pre-PROTAC的形態(tài)調(diào)節(jié)為依據(jù)，成功開發(fā)出一種全新的miRNA啟動的組裝pre-PROTAC平臺——miRiaTAC。

       傳統(tǒng)PROTAC技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

       靶向蛋白水解嵌合體（PROTACs）作為一種極具前景的治療策略，通過利用細(xì)胞天然蛋白質(zhì)降解機制靶向消除疾病相關(guān)蛋白，展現(xiàn)出與傳統(tǒng)占位驅(qū)動抑制劑不同的獨特優(yōu)勢，如在低劑量下發(fā)揮催化作用以及降解頑固蛋白等（圖1）。

圖1. 基于靶蛋白降解的各種嵌合體策略

       然而，在臨床應(yīng)用中，PROTACs面臨著諸多挑戰(zhàn)。

       首先，腫瘤選擇性差是一個突出問題。由于無法精準(zhǔn)區(qū)分腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞，PROTACs在發(fā)揮作用時可能會對正常組織造成不良影響，降低了治療的特異性。這種缺乏腫瘤選擇性的特性可能導(dǎo)致治療效果受限，同時增加了患者出現(xiàn)副作用的風(fēng)險。

       其次，蛋白質(zhì)不受控制的降解帶來了非癌組織全身毒性風(fēng)險。PROTACs引發(fā)的蛋白質(zhì)降解若失去控制，可能會對正常組織和器官的蛋白質(zhì)平衡產(chǎn)生破壞，干擾人體正常的生理功能。這種全身毒性風(fēng)險不僅影響患者的生活質(zhì)量，還可能對治療的安全性和可持續(xù)性構(gòu)成威脅。

       此外，過度激活也是PROTACs面臨的挑戰(zhàn)之一。過度激活可能引發(fā)一系列未知的生理反應(yīng)或副作用，進一步加重患者的病情或?qū)е滦碌慕】祮栴}。這種不確定性增加了治療的復(fù)雜性和風(fēng)險。

       因此，研發(fā)一種按需開關(guān)策略，以實現(xiàn)選擇性激活和終止PROTACs介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解，成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。這將有助于提高PROTACs的治療特異性和安全性，為其在臨床治療中的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

       新型PROTAC技術(shù)對副作用的優(yōu)化策略

       1、Nano-PROTACs策略

       2023年7月，國家納米科學(xué)中心的王浩研究員開發(fā)了一種用于腫瘤治療的Nano-PROTACs技術(shù)，該技術(shù)旨在解決傳統(tǒng)PROTACs的問題。其設(shè)計的Nano-PROTAC 系統(tǒng)由含特定結(jié)構(gòu)域的兩個肽基前體組成，在腫瘤細(xì)胞高GSH水平下經(jīng)點擊反應(yīng)自組裝成有序納米結(jié)構(gòu)。

圖2. 原位自組裝Nano-protacs的示意圖

       體外研究表明，它能形成多元納米復(fù)合物，有效降解EGFR和AR等蛋白，且具有劑量依賴性和抗鉤效應(yīng)。體內(nèi)研究顯示，Nano-PROTACs可在腫瘤部位富集和保留，在荷瘤小鼠模型中呈現(xiàn)劑量依賴性的腫瘤抑制效果，通過降解靶蛋白誘導(dǎo)凋亡發(fā)揮抗腫瘤作用，同時該系統(tǒng)具有良好生物相容性和細(xì)胞選擇性。

       Nano-PROTAC技術(shù)雖然在蛋白降解領(lǐng)域顯示出巨大潛力，但仍面臨靶點單一、不能即時終止降解過程和制造成本昂貴等多方面的挑戰(zhàn)。

       2、Ligation to Scavenging策略

       在探索靶蛋白可控降解以及按需終止相關(guān)問題的進程中，中國藥科大學(xué)姜正羽教授研究團隊于2023年3月開創(chuàng)性地提出了一種能夠即時終止蛋白降解過程的連接-清除（Ligation to Scavenging）策略（圖3）。

圖3. 受控的PROTACs和連接-清除系統(tǒng)示意圖

       該策略由經(jīng)反式環(huán)辛烯（TCO）修飾的樹枝狀大分子（PAMAM-G5-TCO）以及四嗪標(biāo)記的PROTACs（Tz-PROTACs）這兩個關(guān)鍵部分構(gòu)成。其中，PAMAM-G5-TCO能夠借助逆電子需求的Diels-Alder反應(yīng)（IEDDA），快速且有效地清除細(xì)胞內(nèi)處于游離狀態(tài)的PROTACs，進而達成對靶向蛋白降解過程的終止調(diào)控。通過這一調(diào)控機制，那些已經(jīng)出現(xiàn)下調(diào)情況的靶蛋白能夠逐步恢復(fù)到正常水平。

       在研究過程中，研究人員針對BET蛋白、PARP蛋白等多個底物蛋白展開了降解終止的相關(guān)實驗，充分論證了該策略具備可靠性以及廣泛的適用性，為PROTAC降解技術(shù)裝上了可靠的“剎車”。

       然而，該策略在選擇性和特異性方面可能會受到特定靶蛋白以及降解條件的限制，這一局限給這一頗具潛力的策略未來發(fā)展蒙上了一層陰影。

       3、DbTAC策略

       2023年7月，中國藥科大學(xué)馬祎教授研究團隊受到DNA框架所具備的可尋址性、可編程性以及剛性特質(zhì)的啟發(fā)，成功開發(fā)出基于共價DNA框架的PROTACs（DbTACs）。這種DbTACs能夠借助簡單的生物正交化學(xué)以及自組裝方式，實現(xiàn)高通量合成（圖4）。

圖4. 選擇性靶向蛋白降解的DbTACs平臺設(shè)計示意圖

       在其構(gòu)建過程中，采用DNA四面體作為模板，此模板能夠精準(zhǔn)地定義每個原子的空間位置?；谶@一特性，通過在模板上對POI和E3連接酶的配體進行精確的定位操作，就能夠?qū)ε潴w間距進行有效控制，其范圍可從8 Å到57 Å。研究人員經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，具有配體之間最 佳連接長度的dbtac，展現(xiàn)出了更高的降解率以及更強的結(jié)合親和力。

       此外，具有三價配體組裝的雙特異性DbTACs（雙-DbTACs）表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，它能夠在確保對蛋白質(zhì)亞型進行高度選擇性降解的同時，實現(xiàn)對多個靶點的消耗。而且，當(dāng)運用不同類型的彈頭，如小分子、抗體以及DNA基元時，DbTACs在針對多種靶標(biāo)進行降解方面彰顯出強大的功效，這些靶標(biāo)涵蓋了位于不同細(xì)胞區(qū)室的蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子等。

       DbTACs這一策略突破了傳統(tǒng)PROTAC分子僅能降解單一靶點的局限，然而，它也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如無法即時終止降解過程且不具有細(xì)胞選擇性等。

       4、Dual-PROTAC策略

       2021年5月，華中科技大學(xué)同濟藥學(xué)院李華教授研究團隊，鑒于單一靶點治療存在諸多局限，創(chuàng)新性地提出了雙靶向PROTAC分子（Dual-PROTAC）這一概念。

       受到雙靶向藥物的啟發(fā)，研究人員設(shè)計并合成了一種能夠同時對表皮生長因子受體（EGFR）和聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）進行降解的雙靶點PROTAC分子。在合成過程中，研究團隊巧妙地運用天然氨基酸作為連接體，并選取吉非替尼、奧拉帕利以及CRBN或VHL的E3配體作為底物來合成相關(guān)分子（圖5）。

       圖5. Dual-PROTAC策略示意圖

       細(xì)胞實驗結(jié)果顯示，所合成的雙靶點PROTAC在SW1990和H1299細(xì)胞系中，能夠同時實現(xiàn)對EGFR和PARP的降解，并且其降解效果呈現(xiàn)出濃度和時間的依賴性。此研究首次成功實現(xiàn)一個小分子同時降解兩種不同靶蛋白，拓展了PROTAC技術(shù)應(yīng)用并開辟藥物發(fā)現(xiàn)新領(lǐng)域，然而該策略可能會由于分子量的增加，從而引發(fā)藥物性質(zhì)和藥代動力學(xué)方面的一系列問題。

       miRNA-觸發(fā)DNA編碼的前PROTAC平臺

       DNA具備可編程性，這一特性使其能夠構(gòu)建多種多樣的納米結(jié)構(gòu)，進而為動態(tài)DNA納米技術(shù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。近期，南京大學(xué)張晶晶教授研究團隊針對上述新型PROTAC策略的局限性，以miRNA觸發(fā)的DNA編碼的pre-PROTAC的形態(tài)調(diào)節(jié)為依據(jù)，成功開發(fā)出一種全新的miRNA啟動的組裝pre-PROTAC平臺，即miRiaTAC。

       miRiaTAC的模塊化工具包含一對可修飾的DNA發(fā)夾H1和H2。在癌細(xì)胞中，靶miR -21呈現(xiàn)過表達的狀態(tài)，H1和H2能夠?qū)ζ渥龀鲰憫?yīng)，并通過HCR形成交替共聚物。具體而言，彈頭JQ-1（L1）標(biāo)記的H1可以招募靶蛋白BRD4，而H2與配體pomalidomide（L2）結(jié)合以招募CRBN E3泛素連接酶。精確確定L1和L2的修飾位點，以確保在miR-21啟動時L1/L2對的鄰近性，使miRiaTAC誘導(dǎo)BRD4多泛素化，引起其蛋白酶體介導(dǎo)的降解，并形成（BRD4）m:miRiaTAC:(E3)n復(fù)合物（圖6）。

       圖6. 原位miRNA啟動組裝預(yù)protac（miRiaTAC）系統(tǒng)的示意圖

       為了進一步降低過度降解所帶來的副作用，研究人員設(shè)計了一種用于時空控制終止蛋白質(zhì)降解的概念策略。他們通過在合適的位置插入可光性基團，實現(xiàn)了對長dsDNA納米結(jié)構(gòu)拆卸過程的光學(xué)調(diào)節(jié)，從而構(gòu)建出一個具有理想可控性的系統(tǒng)。針對多重蛋白降解這一挑戰(zhàn)，研究人員將另一種配體（L3）添加到H1上，以此來募集CDK6。借助可編程的配體比例，成功實現(xiàn)了正交多靶點降解（圖7）。此外，體內(nèi)實驗也進一步證實了miRiaTAC在小鼠腫瘤模型中展現(xiàn)出強大的抗癌活性以及顯著的腫瘤抑制效果。

圖7. miRiaTAC的多重蛋白降解模式

       miRiaTAC策略通過插入光不穩(wěn)定基團實現(xiàn)了對蛋白質(zhì)降解的時空控制終止，避免了過度蛋白降解。同時，研究人員設(shè)計了一種新的DNA編碼預(yù)PROTAC（H1-Pal），可實現(xiàn)單靶點和雙靶點蛋白降解，拓寬了miRiaTAC在多靶點治療中的應(yīng)用。

       總之，miRiaTAC平臺解決了傳統(tǒng)PROTACs和miRNA療法的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為開發(fā)下一代靶向癌癥治療提供了有前景的途徑。

       參考文獻：

       [1]Zhang, Ni-Yuan et al. “Nano Proteolysis Targeting Chimeras (PROTACs) with Anti-Hook Effect for Tumor Therapy.” Angewandte Chemie (International ed. in English) vol. 62,37 (2023): e202308049. doi:10.1002/anie.202308049

       [2]Jin, Yuhui et al. “Ligation to Scavenging Strategy Enables On-Demand Termination of Targeted Protein Degradation.” Journal of the American Chemical Society vol. 145,13 (2023): 7218-7229. doi:10.1021/jacs.2c12809

       [3]Zhou, Li et al. “DNA framework-engineered chimeras platform enables selectively targeted protein degradation.” Nature communications vol. 14,1 4510. 27 Jul. 2023, doi:10.1038/s41467-023-40244-7

       [4]Zheng, Mengzhu et al. “Rational Design and Synthesis of Novel Dual PROTACs for Simultaneous Degradation of EGFR and PARP.” Journal of medicinal chemistry vol. 64,11 (2021): 7839-7852. doi:10.1021/acs.jmedchem.1c00649

       [5]Hollingsworth, S., Johnson, S., Khakbaz, P. et al. The rise of targeting chimeras (TACs): next-generation medicines that preempt cellular events. Med Chem Res 32, 1294–1314 (2023). https://doi.org/10.1007/s00044-023-03104-z

       [6]Zhan, Jiayin et al. “MicroRNA-Triggered Programmable DNA-Encoded Pre-PROTACs for Cell-Selective and Controlled Protein Degradation.” Angewandte Chemie (International ed. in English), e202415323. 9 Oct. 2024, doi:10.1002/anie.202415323