Atorvastatin strontium

作者｜景言 近 30 年来，随着生活水平的提高，我国高脂血症患病率明显增加。自从他汀类药物问世以来，高胆固醇的问题解决大半。依折麦布作为首个胆固醇吸收抑制剂，它的发现可以说实力与运气并存，研发人员在无心插柳之时发现了这项足以改变后世降脂方案的用药。令人深思的是其设计研究的过程中没有任何已知的靶点可供参考，是一种完全基于受体外、脱离受体模型的研究方式，是一种“早于受体的抑制剂”。其所走过的路径提供了开拓思维的借鉴意义，本文通过分享其研发与验证的小故事，希望为新药研发领域带来一些启发。 图1：依折麦布的研发历程概览  01  依折麦布的研发历程一直以来，对于药物研发的基本思路是首先发现某一作用靶点，进而研究其增强或抑制剂，再通过不断优化其有机结构完成某一新药的研发与推广。而依折麦布作为首个胆固醇吸收抑制剂，其上市时间远早于其靶点受体的发现，这一不走寻常路的药物研发成为了医疗制药领域的轶事。20世纪80年代末，医药巨头默沙东公司研发的洛伐他汀横空出世，其强大的治疗效果使其名利双收，从此制药领域引发了降脂药物的研发热潮。 图2: 洛伐他汀在这次热潮中，先灵葆雅公司将注意力放在了ACAT上——其是催化胆固醇重新酯化进而进入人体的关键酶。他们以ACAT抑制剂为起点，设计优化分子结构并进行有机结构的改进和筛选，再通过生物测试验证其降脂效果。然而结果却不尽如人意，实际治疗效果远远达不到预期。但在研究过程中得到的一个产率不到5%的副产物有着意想不到的降脂活性。然而这一产物虽然在体外有着优异的ACAT抑制作用，但是在体试验中，对试验动物的高脂血症治疗效果收效甚微。频繁出现的体内和体外疗效差异使得先灵葆雅公司高层在再三讨论后，决定放弃体外试验，直接在试验动物体内开展在体试验进行药物筛选。但随着研究的进展，高额的科研支出并没有换来满意的结果，最终公司决定终止这一研究，以收集数据、发表文章作为项目的收尾。峰回路转，在实验组撰写论文、收集数据时，补充做了两组新化合物的实验，意外的发现这两个化合物具有很强的在体效果，对血脂的降低作用达到了更高的疗效。在此基础上，研究组进一步探索，最终在仓鼠的胆管中发现了与之类似且活性更高的代谢产物，进而对这种复合物进行化学修饰，并研制成了早期的“依折麦布”。然而以动物实验为基础的在体实验由于缺乏相关的机制基础，不仅缺乏分子层面的支持，而且在人体和仓鼠之间的异质性问题也没有得到解决。但先灵葆雅公司决定放手一搏，跳过机制研究直接进行临床试验。幸运的是依折麦布在临床试验中表现出了优异的疗效，并存在更加宽广的安全窗口。但造化弄人，依折麦布的上市又将是一个极具挑战的问题。辉瑞公司在1996年上市的阿托伐他汀（立普妥）的强大降脂作用为整个医药行业的降脂药物研发拉高了门槛。这对只能降低15%左右胆固醇的依折麦布来说是一条难以逾越的鸿沟。于是依折麦布的研发上市再次被先灵葆雅公司搁置。 图3: 阿托伐他汀（立普妥）由于立普妥现象级的降脂效果，导致新型他汀类降脂药物的优化在其面前就好似蚍蜉撼树，此时“同是天涯沦落人”的默沙东找到先灵葆雅，由默沙东牵头开展了他汀类药物与依折麦布的联合治疗。令人惊喜的是，两者的联合应用显示出了很好的协同效应导致了更强的降脂效果，更为重要的是他汀与依折麦布的联合应用减少了他汀的使用量，一定程度上避免了他汀大量使用导致的肌肉疼痛等症状。而此时，依折麦布的作用机制以及靶点仍属未知。在临床试验期间，两家公司合力攻坚终于弄清楚依折麦布的作用靶点，同时首次发现胃肠道的胆固醇吸收受体NPC1L1。 图4  02  胆固醇的吸收途径体内胆固醇主要来源于两个方面。一方面是内源性的，主要在肝脏中乙酰辅酶A在羟甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-COA）和角鲨烯单加氧酶（SM）限速酶的作用下，经酶促反应从头合成。他汀类药品作用机制为抑制HMG-COA还原酶以减少内源性胆固醇的生成，实现降低胆固醇的作用。另一方面是外源性的，即食物中胆固醇的吸收和由肝脏分泌的胆汁。而饮食来源的胆固醇约占全部胆固醇的50%。进入肠道的食物胆固醇是酯化胆固醇，必须经消化液中胆固醇酯酶的水解，使之变为游离胆固醇后才能被吸收。游离胆固醇通过形成混合乳糜微粒，与小肠刷状缘充分接触并被其表面的NPC1L1介导进入上皮细胞内，在酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶（ACAT）的作用下又重新酯化，生成胆固醇酯，最后与载脂蛋白一起组成乳糜微粒经由淋巴管、胸导管进入循环血液。一般认为空肠起始段和部分回肠是胆固醇吸收的主要部位。上述即为胆固醇吸收的主要途径。 图5：胆固醇吸收机制示意图此外，小肠近腔侧除了具有NPC1L1之外还有ABCG5/G8等诸多转运蛋白共同辅助完成胆固醇吸收过程。例如ABCG5/G8将ACAT难以酯化的胆固醇（部分植物来源胆固醇）排出体外。因此，有关NPC1L1和ACAT的探索长久以来都是降脂研究的热点。  03  机制与受体的验证先灵葆雅随后在Science上发表文章阐明NPC1L1受体的存在以及依折麦布对其的抑制作用。 图6在人体中，胆固醇的吸收发生在小肠近端空肠，在那里膳食胆固醇和胆汁胆固醇都可以从肠腔吸收。胆固醇吸收的二级动力学、其甾醇特异性以及依折麦布的抑制作用都表明，这一过程是由一种特定的转运蛋白介导的。然而，这种假定的胆固醇转运体的身份仍然难以捉摸。为了确定参与胆固醇摄取的基因，研究者准备了两个cDNA文库进行测序，一个来自大鼠空肠粘膜，另一个来自激光捕获显微解剖分离的空肠肠细胞。将从这些文库中获得的16500个表达序列标签(est)与所有公开的大鼠est相结合，并将大鼠序列与小鼠和人类数据进行交叉比对进行注释。该序列数据库分析了含有胆固醇转运体中预期特征的所有转录本，即预测跨膜结构域、细胞外信号肽、n链糖基化位点以及已知胆固醇相互作用基序(如胆固醇传感结构域)的序列。从这个分析中只有一个可信的候选基因:NPC1L1的大鼠同源基因。而NPC1L1缺失小鼠对胆固醇吸收抑制剂依折麦布完全不敏感，提示NPC1L1或相关蛋白可能是该药物的分子靶点。 图7：NPC1L1的发现之后，我国著名学者宋保亮院士团队也在Cell子刊上面发表了NPC1L1受体的工作机制。 图8简言之，即细胞膜上的NPC1L1受体通过携带胆固醇，向胞内形成与网格蛋白形成网格蛋白复合体，在微丝和肌动蛋白的牵拉下以胞吞的形式进入细胞内吸收胆固醇，而NPC1L1再次回到细胞膜准备下一次的吸收过程。依折麦布的作用则是抑制NPC1L1的内陷，组织网格蛋白复合体的形成，从而抑制胆固醇的吸收。 图9：NPC1L1吸收胆固醇及依折麦布作用机制  写在最后  作为现代新型降脂药物的代表，依折麦布的研发和上市过程可谓是一波三折，但正因如此使之成为医疗制药行业一段脍炙人口的佳话。依折麦布的成功背后离不开研发人员严谨求实的科学态度和及锋而试不离不弃的坚守，企业高层的放手一搏和超凡魄力也常让人不禁为之暗生敬意，拍手叫绝。谨以此则小故事向诸敢想、敢干、肯坚持、不放弃的科研学者和为人类福祉谋进步的制药企业致敬与学习。Reference1.Scott W. Altmann et al. ,Niemann-Pick C1 Like 1 Protein Is Critical for Intestinal Cholesterol Absorption. Science303,1201-1204(2004).DOI:10.1126/science.10931312.Cannon CP, et al. Ezetimibe Added to Statin Therapy after Acute Coronary Syndromes. N Engl J Med. 2015 Jun 18;372(25):2387-97. doi: 10.1056/NEJMoa14104893.Ge L, Wang J, Qi W, Miao HH, Cao J, Qu YX, Li BL, Song BL. The cholesterol absorption inhibitor ezetimibe acts by blocking the sterol-induced internalization of NPC1L1. Cell Metab. 2008 Jun;7(6):508-19. doi: 10.1016/j.cmet.2008.04.0014.Sudhop T, Lütjohann D, Kodal A, Igel M, Tribble DL, Shah S, Perevozskaya I, von Bergmann K. Inhibition of intestinal cholesterol absorption by ezetimibe in humans. Circulation. 2002 Oct 8;106(15):1943-8. doi:10.1161/01.cir.0000034044.95911.dc5.Scott W. Altmann et al. ,Niemann-Pick C1 Like 1 Protein Is Critical for Intestinal Cholesterol Absorption.Science303,1201-1204(2004).DOI:10.1126/science.1093131  BiG 十周年预告  本次BiG十周年庆典，将首次分为国内和国际篇章，以原创科学和临床需求为出发点，讨论创新技术平台和创新疗法（PROTACT/分子胶、双抗/ADC、siRNA/ASO、CGT、AI制药）的重大进展和发展前景，十年一药曙光现，大浪淘沙始见金！▼报名参会 会议门票：审核制(免费)；含主论坛+分论坛，不含餐；优先biotech/Pharma、临床、院校科学家共建Biomedical创新生态圈！如何加入BiG会员？

近年来，蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）技术已成为一种新型治疗范例。PROTAC 是异双功能分子，通过劫持泛素-蛋白酶体系统来降解靶蛋白。目前，大约 20-25% 的蛋白质靶点正在研究中，大多数工作都集中在它们的酶功能上。与小分子不同，PROTAC 通过与靶蛋白结合并诱导随后的蛋白酶体降解来抑制靶蛋白的整个生物学功能。PROTAC 弥补了传统小分子抑制剂难以处理转录因子、核蛋白和其他支架蛋白的局限性。目前，PROTACs已成功降解多种蛋白，如BTK、BRD4、AR、ER、STAT3、IRAK4、tau等。然而，哪些靶点适合PROTAC技术以实现比小分子抑制剂更好的效益尚不完全清楚。如何合理设计高效的PROTACs并优化其口服有效，给研究人员带来了巨大的挑战。在这篇综述中，我们总结了PROTAC技术的特点，详细分析了设计高效PROTAC的一般原理，并讨论了针对不同蛋白质类别的PROTAC的典型应用。此外，评估了PROTAC可能面临的挑战和局限性。1. 背景介绍Sakamoto 等人2001年首先报道了蛋白水解靶向嵌合体 (PROTAC)。PROTAC 是异双功能分子，包含三个组件：目的蛋白 (POI) 结合部分、接头和 E3 泛素连接酶结合部分（图 1a) 。PROTAC分子可以与E3连接酶和靶蛋白结合形成POI-PROTAC-E3连接酶三元复合物。劫持泛素蛋白酶系统（UPS）随后导致目标蛋白被多泛素化，然后蛋白质被蛋白酶体降解。PROTAC 同时招募 E3 连接酶和 POI，使 POI 和 E3 连接酶在空间上接近。PROTAC 模拟 E3 连接酶对底物的特异性识别并劫持细胞内蛋白质破坏机制以从细胞中去除 POIs。图 1. a.基于UPS的PROTAC机制。UPS 由用泛素修饰蛋白质的特定酶（E1、E2 和 E3）和降解泛素标签蛋白的蛋白酶体组成。PROTAC 包含 POI 配体、E3 配体和接头。E3-PROTAC-POI 三元复合物诱导 POI 的多泛素化和蛋白酶体介导的降解。b. PROTAC 技术发展的里程碑现代药物发现的重点是寻找与目标蛋白具有高结合亲和力的小分子，这些小分子通过占据酶活性位点来调节蛋白功能。然而，一些蛋白质缺乏可结合位点或酶活性位点，如转录因子、RAS家族蛋白、支架蛋白和调节蛋白，使得它们对传统小分子药物不敏感。随着 PROTAC 的出现，无需考虑活性位点的存在即可降解“不可成药的蛋白质”。PROTAC 具有独特的优势，拓宽了未来药物发现的视野。一系列用于降解雄激素受体（AR）和雌激素受体（ER）的PROTACs药物已进入临床试验。到目前为止，PROTAC 已被证明可以有效降解多种蛋白质，例如代表性的 AR、ER 核受体、各种激酶、转录因子和异常蛋白质聚集体。2001年，报道了第一个PROTAC，它由招募蛋氨酸氨基肽酶2（MetAP-2）的血管生成抑制剂卵酸素和招募E3泛素连接酶β-TRCP的IкBα磷酸肽组成。F-box 蛋白 β-转导蛋白重复序列蛋白 (β-TRCP) 已被证明可与 IкBα（NF-кB 的负调节因子）结合(即连接的双功能肽段)。研究表明，该PROTAC可以在体外有效降低MetAP-2水平。在细胞外研究显示出希望后，这项开创性的工作得以持续下去。2003年，PROTAC被应用于靶向降解ER和AR受体。IкBα 磷酸肽分别与雌二醇和二氢睾酮 (DHT) 连接，使得 PROTAC 能够有效降解 Erα 和 AR。2004年，含有E3连接酶结合肽ALAPYIP来招募von Hippel-Lindau (VHL)，它可以诱导AR和FK506结合蛋白12 (FKBP12)的降解。虽然基于肽的PROTAC具有生物相容性高、体内毒性低的优点，但不能忽视大分子量带来的有限的细胞通透性和合成问题。随着E3连接酶小分子配体的发展，如MDM2、cIAP、VHL、Cereblon（CRBN）、DCAF11、DCAF15 、DCAF16、KEAP1和 RNF114，PROTAC 快速进入小分子化。CRBN E3复合物的研究在2010年取得了重大突破。CRBN是CUL4-RBX1-DDB1-CRBN（CRL4 CRBN）E3泛素连接酶的底物受体亚基，已被确定为沙利度胺免疫调节药物的直接靶点（ IMiD）。这些IMiD结合CRBN连接酶，为具有锌指结构域的多个转录因子（例如IKZF1和IKZF3）提供结合位点，形成其抗癌作用的基础。在过去的几年中，沙利度胺及其衍生物因其有效的POI降解和良好的成药性而成功应用于PROTAC中，用于多种蛋白质类别的靶向降解。ARV-825（图 2a) 是第一个结合泊马度胺和含溴结构域蛋白 4 (BRD4) 抑制剂 OTX015 的 PROTAC（图 2b）。该PROTAC可以有效降解伯基特淋巴瘤(BL)细胞中的BRD4蛋白。图2. 针对不同蛋白质的代表性 PROTAC2012年，Crews和Ciulli团队鉴定了第一个具有微摩尔解离常数的VHL小分子配体。为了提高第一代VHL配体的亲和力和亲脂性，Galdeano等人发现了VHL 的第二代配体，VH032 被确定为具有纳摩尔亲和力。新型 VHL E3 配体的鉴定标志着 PORTAC 技术的一个里程碑（图 1b)。这些新发现的VHL 配体为设计 VHL 招募 PROTAC 开辟了新的机会。VH032与VHL的晶体结构，为构建第一个VHL招募PROTAC MZ1提供了结构细节（图 2b)。化合物 MZ1 能够有效且选择性地去除 BRD4。后来揭示了BRD4-MZ1-VHL复合物的晶体结构，揭示了MZ1被“夹在”BRD4和E3连接酶之间，并且BRD4-VHL的新接触是由MZ1诱导的协同识别产生的，发现PROTAC诱导的静电表面靶蛋白和 E3 连接酶之间的相互作用对于稳定三元复合物非常重要。上述突破性研究为后来基于VHL的PROTAC研究奠定了基础。迄今为止，基于VHL的PROTAC已成功应用于各种疾病相关蛋白的降解，例如BCR-ABL、ALK和FAK。越来越多的靶点被确认为“PROTACable”基因组，部分PROTAC分子已取得临床效益。例如，已进入临床试验的PROTAC靶点包括AR、ER、IRAK4、STAT3、BTK、BRD9、BCR-Xl等。至少有20个PROTAC进入临床试验。其中，来自Arvinas的ARV-110和ARV-471是临床研究最先进的PROTAC药物。Arvinas、C4 Therapeutics、Kymera Therapeutics 和 Captor Therapeutics 是 PROTAC 领域的先锋制药公司，推动了 PROTAC 的临床转化。Arvinas 致力于将其代表性的 ARV-110 和 ARV-471 推向市场。ARV-110和ARV-471的早期临床数据显示出理想的安全性、有效暴露和对患者有意义的临床疗效，证明了该方法的治疗可行性。研究数据表明，ARV-110 作为口服生物可利用的降解剂是安全的。I 期试验表明，在具有特定基因突变的人群中，ARV-110 将 40% 的 mCRPC 患者的前列腺特异性抗原 (PSA) 水平降低了 50% 以上。此外，在最初的临床研究中，一名患者的活检数据显示AR下降了70%~90%。一项针对平均接受5次连续治疗的ER+和HER2-乳腺癌患者的I期临床研究表明，ARV-471可以显着降低患者肿瘤组织中ER的表达水平，平均降低ER水平62% ，最多可达90%。此外，ARV-471的I期临床数据还显示，在30-700 mg的所有剂量水平下均观察到高水平的ER降解（89%），且耐受性良好。最先进的PROTAC药物ARV-110和ARV-471的临床试验结果被认为是PROTAC领域发展的风向标。作为一种新的药物范式，PROTAC药物的临床转化仍存在相当大的疑问。PROTAC如何在不满足Lipinski五法则的情况下保证治疗效果，以及如何研究、阐明和减少PROTAC药物异双功能分子形式可能引起的复杂脱靶效应和副作用，是临床试验中不可避免的挑战。作为首批进入III期临床试验的PROTAC药物，ARV-471在早期试验中就表现出了强劲的临床表现。如果后续临床试验结果能够达到预期目标，PROTAC可能会在不久的将来进入临床使用，这将为靶向蛋白降解药物的研发带来历史性突破。在这篇综述中，列出了过去 5 年来 PROTAC 首次应用的靶标。同时简要回顾一下 PROTAC 技术与其他技术相比的优势。然后，作者概述了 PROTAC 在靶向多种相关蛋白（尤其是临床试验中的分子）方面的最新进展。还讨论并推荐了设计新 PROTAC 分子的基本考虑因素。试图为相关领域的人们设计有效的PROTAC提供有价值的参考。2.PROTAC 的优点多样化的新型治疗策略（例如小分子抑制剂、单克隆抗体和RNA干扰（RNAi））已成为药物发现的既定范例。小分子抑制剂的活性通常取决于占据靶标的活性口袋，与内源配体竞争以抑制靶蛋白或酶的功能。小分子抑制剂的长期临床应用面临耐药性和脱靶效应的挑战。单克隆抗体药物通过阻断细胞外蛋白质-蛋白质或蛋白质-配体相互作用来调节细胞反应。单克隆抗体药物的主要优点在于其与靶蛋白的高亲和力，但其不足之处在于细胞渗透性差、口服不可用以及成本高。RNA 干扰用于通过敲低 mRNA 来诱导基因沉默，因为 RNAi 的催化性质能够降解多个 mRNA 转录本。然而，脱靶效应、口服生物利用度差和组织渗透性不理想使得药物递送研究具有挑战性。作为一种有前途的治疗范例，PROTACs 比小分子抑制剂、单克隆抗体和其他治疗策略具有独特的优势（表 3）。当目标蛋白被蛋白酶体降解时，PROTACs可以从复合物中解离出来，并继续发挥降解作用（称为“事件驱动”机制），从而使低暴露量发挥功效。此外，PROTAC 完全废除了靶标的功能，甚至 POI/E3 亲和力较低的配体也可用于靶标降解。在本节中，我们将简要比较 PROTAC 与其他治疗策略。表3 PROTAC 与其他治疗策略的比较2.1 降解“不可成药”的蛋白质尽管FDA已经批准了近400种针对人类蛋白质的药物，但与疾病相关的蛋白质约有3000种，远远超出了我们的处理能力。然而，它们中的大多数没有合适的治疗药物，因为缺乏所谓的可成药深沟和活性口袋来占据小分子，例如支架蛋白、转录因子和RAt肉瘤（RAS）蛋白，长期以来被认为是“不可成药”的蛋白质。因此，小分子很难调控这些不可成药的蛋白质，只能依靠持续占据靶蛋白的结合口袋来发挥其药理活性（称为“占据驱动”机制）。幸运的是，PROTAC 诱导的蛋白质降解有可能解决这些问题。与传统的小分子抑制剂不同，PROTAC不需要对配体的高亲和力和持久的占据，即使是低亲和力的配体也可以诱导靶蛋白的有效降解。对于这些具有挑战性的不可成药靶点，PROTAC 可以在不存在活性口袋的情况下与靶蛋白结合，从而导致蛋白酶体介导的降解并完全抑制靶蛋白的生物学功能。例如，RAS 蛋白是肺癌、结直肠癌和胰腺癌中最常见突变的癌蛋白。RAS 蛋白包含三种亚型：KRAS、NRAS 和 HRAS。其中，KRAS突变是癌症的致命驱动因素。由于之前缺乏明确的结合袋，KRAS 多年来一直被视为不可成药的蛋白质。然而，FDA 快速跟踪了两种共价抑制剂的指定，即 AMGEN 的 sotorasib (AMG 510) 和 Mirati Therapeutics 的 adagrasib (MRTX849)（图 2c)，两者均在临床试验中证明了对 KRASG12C 的有效抑制作用。不幸的是，长期和长时间的使用不可避免地导致亲和力严重下降和获得性耐药性。2020 年，通过将 MRTX849 与 VHL 配体连接，设计并合成了一系列 KRAS G12C PROTAC。经过降解活性筛选后，他们确定了一种最有效的 PROTAC，它可以快速诱导 KRAS G12C蛋白的降解（DC 50  = 0.59 μM，NCI-H2030 细胞），并且在其他细胞中也表现出降解活性。2.2 提高选择性和特异性药物化学研究人员的主要目标是发现具有高选择性的分子，以最大限度地减少脱靶效应带来的副作用和毒性。然而，由于同一家族的蛋白质之间的差异有限，因此很难实现。相同家族蛋白质之间氨基酸残基的细微差异不足以为小分子抑制剂提供足够的分辨率。PROTAC独特的机制赋予其双选择性底物识别的特性。也就是说，除了目标蛋白配体的底物选择性外，降解前形成稳定的POI-PROTAC-E3三元复合物还需要E3连接酶和目标蛋白之间适当的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）。因此，E3连接酶从整个蛋白质水平选择性识别靶蛋白提高了PROTAC的选择性和特异性。激酶亚型选择性的一个典型例子是针对血清和糖皮质激素诱导的蛋白激酶 (SGK)，SGK 家族包含三种亚型：SGK-1、SGK-2 和 SGK-3。据报道，突变的PI3K可以通过SGK3依赖性机制诱导肿瘤发生。一些证据表明，各种 ATP 竞争性抑制剂对所有 SGK 异构体缺乏选择性，因为它们对不同异构体具有相似的亲和力 。然而，同一家族成员的相似催化结构域阻止了研究人员开发异构体特异性抑制剂。为了解决这个问题，高度特异性的SGK3-PROTAC1（图 2d) 已开发出来。这种PROTAC是基于非SGK3选择性抑制剂308-R设计的，用于特异性降解SGK3。在低微摩尔浓度的 SGK3-PROTAC1 下，可以显着降低细胞内 SGK3 水平，而不影响 SGK1 和 SGK2。可以推测，SGK3-PROTAC1的选择性和特异性源自SGK3-PROTAC1诱导三元复合物形成过程中VHL对SGK3的选择性识别。2.3 作用机制 (MOA)传统的小分子抑制剂以剂量依赖性方式发挥作用，通过最大化药物受体占据来达到临床效果。药物浓度过高会导致不良副作用和脱靶效应。PROTACs可以启动催化靶蛋白的降解并从蛋白酶体中逃逸。理论上，PROTAC 可以以更低的剂量、更长的给药间隔进行递送，并且比小分子抑制剂具有更低的毒性，因为它们的低浓度足以降解蛋白质并且不受平衡占用的限制。由于其催化性质，低剂量的 PROTAC 可能会降低发生脱靶效应的可能性。2.4 消除药物靶点的积累小分子抑制剂与靶蛋白的结合即使在相对较短的时间内也可以增加蛋白质的积累。可以归因于两个原因：1）药物与靶蛋白结合可以稳定蛋白质结构，从而延长其半衰期；2)长期抑制会导致其代偿性表达上调。一般来说，靶蛋白的积累可能不利于药物的功效。因此，对于这些对抑制剂不敏感的蛋白质，采取PROTAC介导的蛋白质降解是极其合适的。例如，BRD4，作为重要的溴结构域和末端结构域（BET）家族成员之一。研究人员证明，靶向 BRD4 是抑制 MYC 驱动的癌症的有效手段。然而，小分子 BRD4 抑制剂 JQ1（图  2e) 和 OTX015 导致大量蛋白质积累，需要高浓度的抑制剂来抑制下游 c-MYC。2015 年，Lu 等人通过劫持 CRBN E3 连接酶设计了一种有效的 BRD4 PROTAC (ARV-825)，它诱导所有 BL 细胞系中 BRD4 蛋白快速持续的降解。这凸显了 PROTAC 相对于小分子抑制剂的优势。2.5 其他的优势除了上述几点之外，PROTAC 还具有其他优点。获得性耐药的发生往往与点突变密切相关，点突变会降低抑制剂与靶蛋白的亲和力。PROTAC 能够通过完全消除靶标机制来克服耐药性问题。此外，PROTAC的事件驱动模型不需要高药物暴露来降低脱靶效应的风险。与其他 DNA 水平蛋白质敲除技术不同，PROTAC 能够在翻译后水平在体内快速降解目标蛋白质。在靶向蛋白降解（TPD）领域，除了基于UPS的PROTAC之外，靶向溶酶体的嵌合体（LYTAC）、靶向自噬的嵌合体（AUTAC）和基于抗体的PROTAC（AbTAC）通过溶酶体降解靶蛋白。PROTAC 不能降解细胞外蛋白和膜蛋白。因此，溶酶体诱导的蛋白质降解可以弥补 PROTAC 的缺乏。LYTACs首先由Banik等人提出，并由结合溶酶体靶向受体（LTR）的配体和结合细胞外或膜蛋白的配体组成。目前，只有聚丝氨酸-O-甘露糖-6-膦酸酯（M6Pn）和N-乙酰半乳糖胺（Tri-GalNAC）是可用的LTR配体。LYTAC 已被用于成功降解载脂蛋白 E4、表皮生长因子受体 (EGFR)、程序性死亡蛋白配体 1 (PD-L1) 和 CD71 。但由于其分子量大、细胞通透性差、体内可能出现免疫反应，还需要进一步研究。2019 年，高桥等人开发了基于自噬过程的 AUTAC，用于内源性蛋白质的降解。AUTAC 是一种双功能分子，具有连接 POI 配体和自噬招募标签。然而，由于缺乏有效的自噬途径招募配体，目前发表的 AUTAC 效率低下。自噬过程极其复杂，可能对自然自噬产生影响，AUTACs的作用机制尚不清楚，因此需要深入研究。AbTAC 利用双特异性抗体，其中一只臂针对 POI，另一只臂针对 RNF43 E3 连接酶。AbTACs 可以诱导 POIs 内化和随后的溶酶体降解，但确切的降解机制仍有待证实。3. PROTAC靶向多种蛋白质的典型应用理论上，如果有合适的小分子与那些 POI 特异性结合，PROTAC 可以降解几乎所有的细胞内蛋白质，但并非所有降解剂都优于小分子抑制剂。在这里，我们总结了一些具有明显抑制活性的典型PROTAC分子，其中一些已经进入临床试验阶段。3.1 用于靶向蛋白激酶的 PROTAC人类基因组编码超过 500 种蛋白激酶，使其成为最大的蛋白质家族。目前，传统的小分子抑制剂是蛋白激酶相关疾病的主要治疗选择。大多数激酶抑制剂集中于抑制受体酪氨酸激酶（RTK）。然而，耐药性的出现损害了临床获益，因此迫切需要应用新的治疗策略来克服这一挑战。2013年，Crews团队报道了最早的激酶PROTAC，用于靶向PI3K，阻断人表皮生长因子受体3（ErbB3）–PI3K-Akt（蛋白激酶B）信号通路。该 PROTAC 由两个招募 POI 和 E3 连接酶的异特异性肽序列组成。ErbB3 衍生序列，磷酸化后可与 PI3K 结合。另一个源自HIF1α 的序列可以通过 VHL 进行鉴定。两个部分通过 PEG 连接体结合，并掺入细胞穿透序列以改善细胞通透性。然而，由于渗透性差和连接体不稳定，该 PROTAC 仅显示出中等效力。FAK 是一种酪氨酸激酶，调节肿瘤进展的许多方面（例如侵袭、转移和血管生成）。FAK 激酶抑制剂 defactinib 在治疗恶性胸膜间皮瘤干癌的临床试验中因缺乏疗效而失败。FAK 还具有除激酶以外的支架作用，但激酶抑制剂不能抑制激酶独立的功能。因此，设计了PROTAC-3（图 2f) 可有效诱导 FAK 降解，IC 50为 6.5 nM 。PROTAC-3是一种由defactinib和VHL配体组成的双功能分子。它通过有效诱导降解，有效抑制 FAK 激酶依赖性信号传导和激酶依赖性信号传导。布鲁顿酪氨酸激酶 (BTK) 是 TEC 家族非受体胞质酪氨酸激酶的成员，也是 B 细胞受体 (BCR) 信号通路的关键调节因子，在 B 细胞的生命活动中发挥着关键作用，例如增殖、存活和分化。BTK在B细胞肿瘤中广泛表达，临床干预一般通过抑制BTK的激酶活性来进行。2013年，FDA批准了首创的共价抑制剂伊布替尼用于治疗多种B细胞恶性肿瘤。Ibrutinib 与 BTK 的半胱氨酸 481 (C481) 共价结合，IC 50为 0.5 nM 。然而，已经发现 BTK (C481S) 481 位的半胱氨酸到丝氨酸突变是导致伊布替尼获得性耐药的原因。因此，使用 PROTAC 技术诱导 BTK 蛋白降解已成为一种有前途的替代方法。迄今为止，四种 BTK 降解剂已进入临床试验。它们分别是来自Nurix Therapeutics的NX-2127（NCT04830137）和NX-5948（NCT05131022 ），来自海思科和百济神州的HSK-29116（ NCT04861779）和BGB-16673（NCT05006716）。NX-2127具有BTK降解剂和IMiD新底物降解剂活性。目前正在进行 NX-2127 治疗复发或难治性 B 细胞恶性肿瘤的临床试验。临床前数据表明，NX-2127 可有效诱导多种癌细胞系和人外周血单核细胞 (PBMC) 中ibrutinib敏感的 BTK WT（野生型）和ibrutinib耐药的 BTK C481S降解，DC 50  < 5nM。此外，NX-2127比ibrutinib更有效地抑制 TMD8 细胞中BTK C481S的细胞增殖。NX-2127 由沙利度胺 IMiD 组成，具有免疫调节活性。揭示来那度胺导致 CRBN 新底物 Aiolos (IKZF3) 和 Ikaros (IKZF1) 选择性泛素化和降解。已表明 IKZF3 的过度表达是慢性淋巴细胞白血病 (CLL) 中 BTK 抑制剂耐药性的驱动因素。因此，NX-2127将BTK降解与IKZF降解相结合有望增强其抗肿瘤活性。NX-5948 是 Nurix Therapeutics 设计的另一种 BTK 降解剂。与 NX-2127 不同，NX-5948 缺乏免疫调节活性，并且在动物模型中具有穿过血脑屏障 (BBB) 的能力。NX-5948 显示出与临床前数据相似的性能，临床前数据表明 NX-5948 在淋巴瘤细胞系和 PBMC 中诱导 BTK 降解（< 1 nM 时降解效率为 50%）。3.2 用于靶向核受体的 PROTAC核受体（NR）属于转录因子家族。与其他传统转录因子不同，其主要功能是将外部信号转换为转录输出。典型的 NR 包括三个结构域：两个分别结合 DNA 和配体的结构域，以及一个在序列和大小方面高度可变的非结构化 N 末端调节结构域。配体激动剂结合会产生构象变化，导致核定位信号 (NLS) 暴露，从而使 NR 易位至细胞核并结合响应元件。与配体结合域结合的小分子抑制剂被设计用来激活或阻断核受体的信号转导功能。然而，小分子抑制剂有几个缺点。例如，目前对抑制剂概念的理解尚不清楚，因为当 AR 基因过度表达或突变时，持续的 AR 拮抗剂被证明是激动剂。此外，孤儿NRs的一些配体尚未确定，从而使得靶向NRs治疗疾病变得更加复杂。PROTAC 技术的出现使得针对更广泛的 NR 成为可能。AR、ER等NRs参与体内各种重要的生理进程，与前列腺癌、乳腺癌密切相关。因此，一系列针对ER或AR的PROTAC被开发出来。AR信号传导对于前列腺正常功能的发育和维持至关重要。AR不仅在维持肌肉骨骼和男性性相关功能中发挥着关键作用，而且在前列腺癌的进展中也发挥着关键作用。使用恩杂鲁胺和阿帕鲁胺等 AR 拮抗剂抑制 AR 功能是治疗前列腺癌的常见策略。不幸的是，接受抗雄激素治疗的患者最终会出现去势抵抗。PROTACs 作为一种替代的潜在治疗方法出现，以弥补 AR 抑制剂的缺点。由此，合成了一种有效的 AR PROTAC ARCC-4（图 2g)，其由恩杂鲁胺衍生物和招募VHL的E3配体组成。与其母体抑制剂恩杂鲁胺相比，ARCC-4可以有效降解AR和长期使用临床抑制剂引起的AR突变体，且不会导致耐药性的存在。众所周知，ARV-110（图 2g)是第一个处于临床试验中的AR靶向PROTAC。最新的临床试验数据表明ARV-110具有可接受的安全性。最大耐受剂量 (MTD) 尚未确定，推荐的 2 期剂量 (RP2D) 的确定仍在继续。此外，ARV-110 已在转移性去势抵抗性前列腺癌 (mCRPC) 患者服用恩杂鲁胺和/或阿比特龙后表现出抗肿瘤活性 。最近，王的团队报道了两种高效且可口服生物利用的 AR PROTAC，ARD-2128 和 ARD-2585（图 2g）。ARD-2128 是一种优化的 AR 拮抗剂，通过刚性接头与沙利度胺连接，在小鼠中实现了 67% 的口服生物利用度和比恩杂鲁胺更好的抗肿瘤活性。ARD-2585 包含与 ARD-2128 相同的 CRBN 配体，在 VCaP 细胞系中达到 ≤ 0.1 nM 的 DC50值，在小鼠中达到 51% 的口服生物利用度。乳腺癌是一种乳腺组织发生癌变的恶性肿瘤，患者通常是女性群体。根据肿瘤受体的状态，乳腺癌可分为三种类型：雌激素受体阳性（ER+）、人表皮生长因子受体2阳性（HER2+）和三阴性亚型（ER-、PR-、HER2） -）。其中，ER+乳腺癌最常被诊断出。ER是核受体家族的成员，ERα和ERβ调节雌激素的基因表达。然而，ERα 已被证实主要负责女性生殖系统和乳腺组织中雌激素信号的转换。大多数选择性雌激素受体降解剂（SERD）旨在靶向 ERα 来治疗 ER + 乳腺癌。SERD 是一类与 ERα 结合并随后被蛋白酶体降解的小分子。氟维司群(Fulvestrant)是唯一被批准并通过每月肌肉注射用于治疗绝经后女性乳腺癌的 SERD。针对氟维司群口服生物利用度差的缺点，一系列SERD分子被开发出来。但SERD分子不能完全降解ER，长期使用会导致耐药性。PROTAC技术提供了另一种治疗选择。Arvinas 开发了一种针对 ER 的 PROTAC，ARV-471（图 2h)，经FDA批准进入临床试验，用于治疗局部晚期或转移性ER阳性/HER2阴性乳腺癌患者。中期试验结果显示，ARV-471可显着降低肿瘤组织中ER的表达水平，平均降低62%，最高可达90%。此外，ARV-471 可以在多种 ER 阳性乳腺癌细胞系中降解野生型和临床相关的 ERα 突变体（Y537S 和 D538G），其DC 50值约为 2 nM。3.3 用于靶向转录因子的 PROTAC转录因子（TF）是一类与DNA特定序列结合以调节基因转录过程的蛋白质。转录因子在增殖、分化和死亡等多种细胞功能中发挥着关键作用。除核受体外，直接靶向转录因子对于小分子抑制剂来说尤其具有挑战性，因此几十年来它们一直被认为是“不可成药的蛋白质” 。因此，诱导蛋白质降解成为转录因子的一种潜在方式。根据DNA结合域的具体结构，转录因子可分为数十个家族。值得注意的是，C2H2锌指、同源域和螺旋-环-螺旋家族占转录因子总数的80%以上。信号转导和转录激活因子 3 (STAT3) 是一种关键的核转录因子，在酪氨酸 705 上被磷酸化，并整合细胞因子和生长因子信号传导以调节一系列细胞过程。STAT家族由7种蛋白组成，其中STAT3已被证明在多种癌症中过度表达，尤其是乳腺癌。靶向 STAT3 是治疗各种癌症、炎症和自身免疫性疾病的普遍策略。STAT3在Tyr705位点的磷酸化可以触发其二聚化，并且与靶基因的转录调控密切相关。STAT3二聚化依赖于两个单体的Src同源2(SH2)结构域之间的相互作用。基于这一机制，研究人员热衷于寻找作用于SH2结构域的小分子抑制剂，以阻断STAT3二聚化和转录活性。然而，由于STAT家族成员之间存在结构同源性，一些作用于STAT3 SH2结构域的抑制剂已表现出有限的临床价值，这为特定STAT3抑制剂的开发带来了障碍。另一个突出的问题是，单个 STAT3 蛋白仍然具有转录活性，因此开发 STAT3 SH2 结构域的抑制剂并不是完全抑制 STAT3 活性的可行方法。PROTAC 作为靶向蛋白降解的新型疗法具有广阔的前景。在这里，我们介绍了一种特定且有效的 STAT3 PROTAC。白等人。报道了第一个STAT3 PROTAC SD-36（图 2i)不仅能有效、特异性地降解STAT3，而且具有抗白血病和淋巴瘤细胞系增殖活性。SD-36 由选择性 STAT3 抑制剂 SI-109 和来那度胺组成，是 PROTAC 如何应用于靶向转录因子等挑战性蛋白质的典型成功范例。4. PROTAC的设计和开发PROTACs的降解活性不仅取决于两端与其各自靶标的亲和力，还依赖于能够形成稳定PPI的三元复合物的形成。目前，PROTAC的构建很大程度上依赖于经验分析(empirical analyses)和构效关系（SAR）研究。然而，合成难度对快速合成大量 PROTAC 化合物库提出了重大限制。通过分析和总结已发表的PROTAC结构，我们将提供PROTAC设计的常规策略，以加速PROTAC的发现。此外，还列出了一些最近报道的 PROTAC，它们招募具有相应降解活性的传统 E3 连接酶（表 4）。表 4. 2019年以来报道的PROTAC代表性化合物4.1 E3连接酶及其配体在已鉴定的 600 多种连接酶中，只有少数具有小分子配体的连接酶已用于 PROTAC 靶向。我们列出了常用的 E3 连接酶及其配体（图 3）。总结分析了近 20 年来发表的高活性 PROTAC 的结构，发现最常用的是 CRBN、VHL 和 cIAP 配体，其中 CRBN 占 60.1%，VHL 占 30.1%，cIAP 占 5.5%。主要原因是CRBN在高丰度的组织中广泛表达，并且基于CRBN的PROTAC具有更好的降解效率。此外，与VHL配体相比，CRBN配体具有更好的类药特性。招募 MDM2 和 cIAP 的 PROTAC 通常具有较高的分子量和较差的组织渗透性，表明口服生物利用度可能是一个潜在的问题。其他一些E3连接酶如DCAF11、DCAF15、DCAF16、KEAP1和RNF114等较少使用，原因如下：它们的配体来源于天然产物， E3连接酶亲和力差，合成困难，且大多数E3连接酶是由不可逆的PROTACs招募的，其降解活性较差，并具有一定的潜在毒性。值得注意的是，不同的招募 E3 连接酶已被证明可诱导不同程度的蛋白质降解。主要原因是：不同细胞中E3连接酶的表达水平不同，可能导致降解效率不同。并且有些蛋白质对于不同的E3连接酶具有不同程度的选择性。因此，在设计PROTAC的过程中，应优先选择针对CRBN或VHL的配体，因为这两种E3连接酶的应用范围最广。作为说明性实例，ARV-110和ARV-471都选择CRBN连接酶作为E3配体。在这里，我们回顾了 PROTAC 设计中使用的传统 E3 连接酶及其配体。图3 用于 PROTAC 的 E3 连接酶的代表性小分子配体。蓝点表示适当的链接子结合位点4.2 PROTAC的链接子设计策略1. 连接子类型Maple 研究组建立了一个包含 400 多个已发表的 PROTAC 的数据库，以找到已应用于 PROTAC 的一般原理。数据库中链接子结构的摘要（表 5）揭示了迄今为止 PROTAC 设计中常用的连接体是 PEG 和不同长度的（不）饱和烷烃链。由于化学合成简便的特点，烷基接头通常用于合成 PROTAC 分子，以确定最佳接头长度。然而，由于 PROTAC 的高疏水性，烷基连接子的引入可能会降低 PROTAC 的细胞渗透性。含有杂原子（氧原子或氮原子）的烷基链比单独的烷基链具有改善的亲水性。此外，掺入PEG链可以增强PROTAC的溶解度和细胞对PROTAC的吸收。超过一半已发表的 PROTAC 结构包含烷基和 PEG 基序。PROTAC 中加入了烷基、PEG 和乙二醇链以提高灵活性。然而，它们的引入会影响 PROTAC 的药代动力学 (PK) 特性。近年来，线性连接基逐渐被刚性连接基取代，例如炔烃和饱和杂环（哌嗪和哌啶）。芳环或炔链的引入赋予了一定的刚性并促进稳定的三元络合物的形成。它还促进 PROTAC 的溶解度和细胞渗透性。因此，使其具有口服生物利用度和临床效果，例如 ARV-110、ARV-471 和 BTK PROTAC。点击化学通常用于体内构建PROTAC分子，因此选择三唑基团来连接POI和E3连接酶配体。三唑在体内很难代谢，因此，引入三唑可能有助于增强代谢稳定性并延长PROTAC的耐久性。ARV-110的发现过程是PROTACs开发中极具参考价值的例子。在早期的研究中，AR拮抗剂和基于VH032的ARCC-4被发现具有有效的降解活性。鉴于ARCC-4缺乏口服生物利用度，将VHL配体替换为CRBN配体，并对接头进行相应优化以提高生物利用度。然后对弹头进行进一步改造，得到两种体内外活性均优于ARCC-4的PROTAC，但两种化合物均具有较高的清除率。改用刚性接头后，活性和生物利用度得到改善，剂量递增暴露的进一步优化最终导致了 ARV-110 的发现。表5 已发表的 PROTAC 结构的 Maple 数据库中选定的连接基序的出现情况 2. 连接子长度连接体的长度对 PROTAC 的降解活性也有显着影响。最近，Bemis 等提出了线性接头长度 SAR 研究模型，表明具有较长接头的降解剂更有可能在 PROTAC 的初步设计中取得成功。一旦确定了有效的PROTAC，将逐步缩短连接子的长度，以确定最佳连接子长度。当接头太短时，由于空间位阻效应，2个配体很难同时结合到各自的靶标上，从而阻碍了三元复合物的形成。但如果接头过长，则会阻碍PPI，导致靶蛋白泛素化失败。此外，较长的连接体具有较大的分子量，这使得 PROTAC 穿过细胞膜的可能性较小。因此，将刚性连接体（例如炔、哌嗪和哌啶）掺入连接体中可以有效改善PROTAC的药代动力学特征和功效。#3. 选择合适的链接子附着位点PROTAC 具有三个必要的组件：弹头、E3 连接酶配体和连接它们的连接体。一旦弹头和E3连接酶配体固定，连接子组成、长度和附着位点的选择和优化是构建PROTAC的重要因素。具有合适连接基的 PROTAC 分子对 POI 降解的活性和选择性具有显着影响。一般来说，最好从靶标蛋白暴露于溶剂的位置连接接头，这样不会影响其配体的结合亲和力。在大多数情况下，研究人员已经通过共晶结构和SAR研究确定了合适的连接位置。对于弹头和E3连接酶配体，连接体附着位点的选择需要考虑不影响其受体原有的亲和力。最重要的是，不要从配体的关键活性基团衍生连接子。4. 光控连接器尽管与传统的小分子抑制剂相比，催化 MOA 为 PROTAC 带来的副作用更少。然而，PROTAC 独特的催化特性也不可避免地会因正常细胞和癌细胞中的强烈降解而产生不利影响。为了克服这个问题，光控连接器的引入使得 POI 以时空方式降解。将光可切换的偶氮苯基团纳入连接体中是一种利用光控制降解活性的可逆方法。在不同给定波长的照射下，PROTAC会在“顺式”和“反式”之间可逆地转换，从而产生相应的非活性或活性PROTAC的构象。在一定波长的照射下，非活性PROTAC将转化为活性亚型。只有活性的PROTAC才有能力与靶蛋白形成稳定的三元复合物，引发后续的泛素化和蛋白酶体降解。此外，在某些波长的光下，也可以通过切换回非活性形式来中断降解。研究人员设计了一种双稳态 photoPROTAC，使用四氟偶氮苯基团来光学控制 BET 的降解。photoPROTAC 通过光可切换四氟偶氮苯连接体将 VHL 配体和 JQ1 连接在一起（图 4a)。有研究小组开发了一种不同的方法，通过将光笼基团(photocaging moiety)掺入弹头或 E3 配体来阻碍稳定 POI-PROTAC-E3 连接酶复合物的形成，从而光学控制靶蛋白的降解。在指定波长的光照射下，一旦光笼部分被释放，它就可以恢复到活性构象。2019年，PROTAC首次使用了光笼策略。光笼部分与 dBET1 中的弹头侧缀合，产生 pcPROTAC1（图 4b)。在365 nm波长照射下，4,5-二甲氧基-2-硝基苯甲基（DMNB）被释放，从而形成活性dBET1。此外，光笼的PROTAC-3将光笼基团引入CRBN配体侧以阻碍CRBN募集，在365 nm波长照射下，未笼的pcPROTAC-3诱导BTK降解（图 4C）。这些研究证明了将光笼组引入任一侧的可能性。然而，与 POI 配体缀合会比 E3 配体更好，因为它排除了目标蛋白在没有光照的情况下具有的抑制活性的影响。图4 a,  photoPROTAC -1，包含 BRD 靶向 JQ1 和通过光可切换四氟偶氮苯部分连接的 VHL 配体。光照射将非活性顺式-photoPROTAC-1 转化为其活性反式异构体，反之亦然，b DMNB 保护的 PROTAC 在 365 nm 处照射会释放有效的 BET 降解剂 dBET1，c在 365 nm 处照射 NVOC 保护的 PROTAC 会释放有效的 BTK 降解剂。5. 可点击的链接器点击反应是PROTAC在细胞中自组装的有效生物正交工具，并改善了PROTAC较差的渗透性。Astex Pharmaceuticals 开发了更小的基于前体的细胞内 CLIPTAC（细胞内点击形成的蛋白水解靶向嵌合体，CLIPTAC）系统。该系统中的小分子前体具有较小的分子量，例如四嗪 (Tz) 标记的沙利度胺衍生物 (~ 572 Da) 和反式环辛烯 (TCO) 标记的 JQ-1 衍生物 (~ 609 Da)。Heightman研究组开发了两种 CLIPTAC 模型，它们可以通过反式环辛烯和四嗪前体分子的点击反应在细胞内合成。结果表明，CLIPTACs能够成功诱导HeLa、A375和HCT116等三种细胞系中BRD4和ERK1/2（细胞外调节蛋白激酶）的降解。这一开创性的策略不仅提高了PROTAC的细胞通透性和溶解度，而且无需进行连接子优化，对于不同的目标蛋白降解只需改变蛋白配体部分，更加灵活方便。4.3 计算机仿真加速 PROTAC 设计PROTACs的合理设计包括三个组成部分：弹头、E3配体和连接体。虽然弹头和E3配体的发现过程本质上与小分子相似，但连接体的设计有些挑战性，因为POI和E3连接酶在没有有效PROTAC的情况下无法相互作用。随着人们更好地理解连接子对 PROTAC 的理化性质和降解活性的重要性，当前的研究集中在从头 PROTAC 设计上。连接子的长度、组成、灵活性和连接位点都对降解效率产生巨大影响。此外，另一个设计挑战来自于PROTAC分子往往溶解性差、渗透性差、生物利用度低和不可预测的钩状效应，这阻碍了PROTAC的临床转化。因此，迫切需要寻找新的方法来提高PROTAC的发现效率。为了加速合理 PROTAC 的设计进度。Zheng 等人创建了一种新颖的深度生成模型（PROTAC-RL）。将一对E3配体和弹头输入到模型中，在强化学习（RL，Reinforcement Learning）的指导下，输出设计的接头以及具有特定性质的化学上可行的PROTAC。具体来说，他们首先预训练了一个基于transformer神经网络的链接子生成模型（Proformer）。为了克服PROTAC训练数据量低的挑战，首先通过许多与PROTAC大小相似的准PROTAC小分子对模型进行预训练，然后用真实的PROTAC集和增强数据对模型进行微调。Proformer 随后被输入基于记忆的强化学习框架 PROTAC-RL，并获得经验奖励以获得具有理想 PK 属性的 PROTAC。为了证明有效性，研究团队将BRD4识别为POI并生成了5000个PROTAC。依靠超级计算能力，他们进一步对这些虚拟分子进行聚类和筛选。研究人员最终选择、合成并实验测试了六种PROTAC，其中三种表现出抑制活性，一种先导化合物表现出针对肿瘤细胞系的高抗增殖活性和良好的药代动力学。Western blot 检测结果显示化合物 1-3（图 2j) 低微摩尔浓度降解细胞内 BRD4。所有这些化合物在微摩尔浓度下均表现出针对 Molt4 细胞系的抗增殖活性。整个研究工作仅耗时49天，表明计算机模型的应用可以促进高效合理的PROTAC设计和优化。5. PROTACs在疾病中的应用在过去的二十年中，PROTAC 在解决疾病相关蛋白方面表现出了独特的优势。目前，一些具有代表性的PROTAC已进入治疗癌症的临床试验。除了癌症之外，PROTACs在治疗其他疾病方面也具有巨大优势，例如神经退行性疾病、免疫系统疾病或病毒感染。在这里，我们总结了这些疾病的一些 PROTAC 靶标（表 6）。表6 针对不同疾病的多种 PROTAC疾病领域目标癌症激酶：BTK、FAK、MEK、IRAK4、BCR-ABL、EGFR、CDK、Aurora A转录因子：AR、ER、STAT3表观遗传蛋白：EZH2、BRD、HDAC、KDM5C、Sirt2、EDR5、PRMT5、NSD3、NAMPT、ENL、p300/CBP神经退行性疾病GSK-3β、LRRK2、α-Synuclein、Tau、TRKA、TRKC、mHtt免疫失调HDAC3、H-PGDS、IRAK1、IRAK3、IRAK4病毒性疾病PEGS-2、NS3/4A、Mpro其他的HMGCR、VEGFR25.1 PROTAC 靶向癌症相关靶点致癌蛋白在癌症进展中不可或缺，这使得 PROTAC 特别适合治疗癌症。目前大多数 PROTAC 的研究都集中在与癌症相关的靶点上。在已报道的研究中，研究人员首选激酶作为降解靶标。据统计，激酶占PROTAC降解靶标总数的45%，其中一半以上的PROTAC靶向RTK和CMGC激酶组(CMGCs)。BTK PROTAC 已进入临床试验，多种化合物已显示出良好的临床效益。文献中也对针对 ALK、MEK 和 CDK 等激酶的 PROTAC 进行了广泛的研究和调查。除了基于激酶的PROTAC之外，还有大量的PROTAC专注于靶向核受体和表观遗传蛋白。到目前为止，PROTAC 应用最成功的目标是 AR 和 ER。与激酶小分子抑制剂相比，AR和ER的耐药性非常复杂和棘手。由于AR突变的多样性，AR的原始抑制剂恩杂鲁胺可能会失去抑制功效，甚至成为部分激动剂。因此，PROTAC特别适合治疗AR相关癌症，尤其是转移性去势抵抗性前列腺癌。5.2 PROTAC 用于治疗神经退行性疾病最常见的神经退行性疾病包括阿尔茨海默病、亨廷顿病和帕金森病。它们经常发生在老年人群中，是一类导致认知障碍的疾病。错误折叠蛋白的聚集是神经退行性疾病的主要原因之一，常见的错误折叠蛋白是β-淀粉样蛋白、tau、α-突触核蛋白和polyglutamates。Tau 是阿尔茨海默病的重要微管相关病理蛋白，由于缺乏活性口袋，它像许多非酶蛋白一样难以调节。AD 和其他神经退行性疾病最显着的特征之一是 Tau 蛋白的积累。AD 患者大脑中的 tau 蛋白水平高于健康人。高Tau水平可以促进其聚集，并影响β淀粉样蛋白（Aβ）的毒性。因此，最大限度地减少 Tau 聚集被认为是治疗 AD 的潜在方法。由此，设计合成了一种带有Keap1 E3连接酶配体的肽基PROTAC，用于降解细胞内Tau，在体外表现出与tau和keap1的高亲和力，并诱导Tau的适度降解。亨廷顿病（HD）是由亨廷顿基因变异引起的，变异产生的异常突变型亨廷顿蛋白（mHtt）在大脑中积累，会影响神经和神经细胞功能。因此，抑制或清除有毒 mHtt 聚集被认为是一种潜在的治疗方式。此前的研究主要集中在开发对 mHtt 聚集体具有抑制作用的化学小分子。不幸的是，由于化学聚集调节剂的机制尚不清楚，因此没有适用的临床结果。有设计了 PROTAC，将 mHtt 聚集体探针与泛素连接酶 cIAP1 的配体结合在一起。实验数据表明，这两种化合物能够诱导活细胞中mHtt的降解。这种效果在 HD 患者和具有更长多聚谷氨酰胺重复序列 (145Q) 的 mHtt 患者中尤其明显。5.3 PROTAC 用于治疗免疫相关疾病IRAK4白细胞介素 1 受体相关激酶 4 (IRAK4) 在 Toll 样受体 (TLR) 和白细胞介素 1 受体 (1L-1R) 信号通路中发挥重要作用。IRAK4 属于四个激酶家族（IRAK4、IRAK1、IRAK2 和 IRAK-M）。IRAK4接收来自上游TLR和1L-1R的信号并激活其下游NF-κB和JNK信号通路，这些信号通路与人类炎症反应和癌症密切相关。TLR或1L-1R受体被激活后，IRAK4通过共享死亡结构域(DD)与MyD88和IRAK2结合，形成myddosome复合物。myddosome 复合物发挥其磷酸化功能并激活下游 IRAK1 和相关因子 6 (TRAF6)，从而激活下游 NF-κB 和 JNK 信号通路，转录与炎症和细胞增殖相关的基因。IRAK4的过度激活或功能障碍会相应地导致不同的问题。除了激酶活性外，IRAK4 还具有支架信号传导。因此，传统的小分子抑制剂无法阻断IRAK4的全部功能。作为一项有前途的技术，PROTACs可以消除蛋白质的所有功能。2020 年，报道了几种可以选择性降解 IRAK4 的 PROTAC。组蛋白去乙酰化酶3组蛋白脱乙酰酶 (HDAC) 家族是一类染色质修饰酶，可通过组蛋白修饰来沉默转录。HDACs家族由18种同工酶组成，可分为四种类型。其中，HDAC1-3和8属于I类HDAC，在细胞运动、免疫调节和增殖中发挥关键作用。然而，HDAC3 的结构包含一个高度保守的催化结构域，这使得 HDAC3 的选择性靶向具有挑战性。2020 年，报道了一种新型的 HDAC3 PROTAC HD-TAC7（图2k)，由 CRBN 配体泊马度胺和选择性 I 类 HDAC 抑制剂邻氨基苯胺组成。HD-TAC7具有中等降解效力，但对HDAC1和HDAC 2没有影响。Liao等人开发了基于 VHL 的 PROTAC XZ9002（图 2k) 可以特异性降解 HDAC3 并抑制肿瘤细胞活性 。5.4 针对病毒相关目标的 PROTAC人们认为PROTAC也可以应用于抗病毒领域，以降低对耐药突变的敏感性。随着常规抗病毒药物的耐药性，临床治疗效果开始逐渐恶化。最近的研究利用 PROTAC 开发了一种化学降解抗病毒药物，以诱导病毒蛋白降解。设计了一种 PROTAC，它由与丙型肝炎病毒 (HCV) 蛋白酶活性位点结合的可逆共价抑制剂特拉匹韦和 CRBN 连接酶的配体组成。化合物DGY-08-097（图 2l)，不仅抑制而且降解 HCV NS3/4A 蛋白酶，在细胞感染模型中表现出效率。严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）自2019年爆发以来对全世界人民的生命和健康构成严重威胁。尽管世界范围内已经设计了多种针对 COVID-19 的疫苗，但该病毒的高致突变性限制了疫苗的有效性。2021 年，Desantis 等人设计了一系列基于吲哚美辛的PROTACs泛冠状病毒抗病毒药物。吲哚美辛（INM）具有抗病毒活性，但其背后的机制尚不清楚。INM 针对 SARS-CoV-2 的抗病毒活性可能来自其对人前列腺素 E 合酶 2 型 (PGES-2) 的抑制活性。先前的研究报道INM在纳摩尔浓度下具有抑制PGES-2的活性。PGES-2 已被证明与 SARS-CoV-2 的 NSP7 蛋白存在相互作用 。NSP7 与 PGES-2 的相互作用也存在于其他冠状病毒中，这表明靶向 PGES-2 可能是基于 INM 的抗病毒 PROTAC 设计的潜在方法。德桑蒂斯等人。设计了四种基于 INM 的 PROTAC，但生物学评价结果显示，只有两种化合物的效力比 INM 强约 4.5 倍，并且对 β-冠状病毒 HCoV-OC43 和 α-冠状病毒 HCoV-229E 具有广谱抗病毒活性。5.5 其他 PROTAC2020 年，Rao 等人报道了 HMG-CoA 还原酶 (HMGCR) 的第一个 PROTAC，HMGCR 是胆固醇生物合成途径中的限速酶。他们通过结合阿托伐他汀(Atorvastatin)和 CRBN 配体合成了一系列 PROTAC。经过优化和筛选，他们最终找到了最有效的降解剂P22A（图 2m) DC 50为 0.1 μM。该PROTAC强调了治疗高胆固醇血症和心血管疾病的潜在应用。此外，PROTAC 是其他非癌蛋白的一种有前途的治疗方法。有报道了第一个诱导α1A-肾上腺素受体（α1A - AR）降解的PROTAC ，也是第一个针对G蛋白偶联受体（GPCR）的PROTAC。他们通过不同的连接体将α1A -AR抑制剂哌唑嗪与泊马度胺连接起来，最终发现了有效的化合物9c（图 2m）。9c可以抑制PC-3细胞的增殖并导致肿瘤生长减慢，这为前列腺癌的治疗提供了新的策略。Hu等人提出了吲哚胺 2,3-双加氧酶 1 (IDO1) 的第一个 PROTAC。IDO1 已被广泛报道为关键的免疫检查点，在多种癌症中过度表达。Hu等人发现了一个 PROTAC 2c（图 2m) 诱导 IDO1 显着且持续的降解。研究表明，造血祖细胞激酶1（HPK1）的PROTAC有助于改善基于CAR-T细胞的免疫疗法。PROTAC 技术在疾病治疗领域如此广泛，使其成为药物发现的强大工具。6. PROTAC的缺点和未来的挑战PROTAC作为一项新兴技术，引起了学术界和制药行业的高度关注。任何新技术的发展都会伴随着各种机遇和挑战，PROTAC也不例外。PROTAC潜在机遇和挑战的前景将有助于靶向蛋白质降解药物的研发。尽管PROTAC相对于其他药物发现范式具有独特的优势，但它也有一些缺点，带来了不可忽视的问题和挑战：药物特性：PROTAC分子比传统小分子药物更加复杂，具有更多的潜在代谢位点，这影响了PROTAC分子的代谢稳定性。同时，传统的小分子抑制剂普遍遵循“五法则”，但大多数报道的PROTAC的分子量往往大于700，导致渗透性差、溶解度低、口服生物利用度不理想。因此，如果不满足“五法则”，如何改善PROTAC分子的理化性质将是其成功成药的关键。耐药性：首先，PROTACs可以通过E3连接酶复合物核心成分基因组的改变而引起耐药性。CRBN 基因或 CUL2 基因表达的显着降低也会导致对 PROTAC 的耐药性 [ 10.1158/1535-7163.MCT-18-1129 ,  10.1021/acschembio.9b00525 ]。研究表明CRBN基因组的缺失是骨髓瘤细胞对IMiD产生耐药性的主要原因。其次，PROTAC的作用取决于特定的E3连接酶亚型，特定E3连接酶的表达限制了PROTAC在不同细胞类型中的应用。尽管人类基因组编码数百种 E3 泛素连接酶，但只有少数 E3 连接酶和小分子配体已用于PROTAC。因此，寻找更多种类的E3连接酶用于PROTAC药物的研发可能是解决耐药性的出路。“钩状效应(Hook)”和“脱靶效应”：如何避免Hook效应和脱靶效应也是PROTAC药物研发的一大挑战。PROTACs并不一定药物浓度越高，降解效果就越好，这就是人们常说的“Hook效应”。在PROTACs的研究中，发现显着高于DC50 的浓度会产生自抑制效应以补偿降解效率，称为“Hook效应”。此外，PROTACs分子的脱靶效应机制尚未完全了解。PROTACs可以完全降解靶蛋白，从而抑制靶蛋白的所有功能。然而，在这个过程中，正常蛋白质可能会被意外伤害，脱靶效应和毒性也是最大的挑战之一。例如，研究表明沙利度胺衍生物可引起IKZF1、IKZF3和GSTP1等转录因子的降解。进一步研究发现，沙利度胺衍生物对GSPT1等转录因子的降解是由于其“分子胶”效应。靶点选择：迄今为止，PROTAC技术适合哪些靶点才能获得比小分子抑制剂更好的益处尚不完全清楚，而且PROTAC的大多数靶蛋白都是“可成药”蛋白的一部分。事实上，PROTAC 技术的最大优势之一是其处理“不可成药”目标的潜力。由于PROTAC技术只需要暂时介导三元复合物的形成，因此可以将低亲和力POI配体掺入PROTAC分子中。不幸的是，迄今为止，针对“不可成药”蛋白质的 PROTAC 分子很少。因此，PROTAC的另一个挑战是需要开发更多针对“不可成药”蛋白质的分子，从而体现PROTAC技术的优势。7. 讨论与结论作为一种新兴的药物发现范式，PROTAC 引起了学术界和工业界的高度关注。尽管PROTAC技术在药物研发方面具有诸多优势，但在发现和临床应用过程中仍存在诸多障碍和挑战，如脱靶、细胞通透性、稳定性、大分子量等。口服生物利用度和药物完整性也是 PROTAC 药物开发持续面临的挑战。值得注意的是，与其他传统小分子抑制剂相比，PROTAC在临床应用中仍具有诸多优势。首先，PROTAC通过诱导致病蛋白降解发挥作用，因此可以促进多轮靶蛋白的降解，协助消除脱靶效应和药物靶点的积累。PROTAC 还可以降解一些被认为“不可成药”的蛋白质，例如转录因子。其次，PROTAC具有提高选择性和特异性、克服耐药性的优点。总之，目前PROTAC药物研发的现状是优点与缺点并存，但如何解决这些问题将是PROTAC药物研发成功的关键。高效PROTAC分子的发现是一个耗时且具有挑战性的过程，例如接头长度和结构的优化。迫切需要总结一种设计高效PROTAC分子的通用方法。目前PROTAC的设计和优化主要集中在POI配体和连接体的构效关系研究上。其中，连接子不仅对PROTACs的降解活性至关重要，而且极大地影响膜的通透性、代谢稳定性和药物利用度。因此，如何有效设计并连接POI和E3配体是PROTACs分子设计的关键。到目前为止，指导连接子设计的原则，包括长度和组成，尚未被完全理解。另一方面，基于“光控连接体”设计的photo-PROTAC也比传统药物具有一些优势，这也是本文所介绍的。预计新兴的photo-PRTOAC能够成为PROTAC药物中的领军者。本文总结了PROTAC设计的一般原则，为PROTAC的研究和设计提供了系统的认识。此外，E3连接酶对于三元复合物的组成也至关重要。然而，在人类基因组编码的数百种E3连接酶中，只有少数E3连接酶被用于PROTAC中，并且发现新的E3连接酶及其配体的进展远远落后于PROTAC的研究。迄今为止，大多数PROTACs通过招募E3连接酶CRBN、VHL、MDM2和IAP来诱导靶蛋白降解，仅通过这些E3连接酶对PROTACs的研究还远远不够。因此，有必要探索更多新型E3连接酶来加速PROTAC的发展。但可以预见，未来E3配体的数量可能会大幅增加，这将为PROTAC的设计提供更多选择。PROTAC技术已经发展了近20年，部分分子已进入临床试验，这揭示了PROTAC在肿瘤、免疫疾病、神经退行性疾病、心血管疾病和病毒感染方面的巨大治疗潜力。世界各地也有研究使用该技术来治疗 COVID-19。目前，已有PROTAC药物已进入III期临床试验。尽管已有十余种药物正在进行临床试验，但临床研究数据仍不足，还需要更多的临床研究来证明PROTAC技术的前景。随着研究的深入，这些障碍将在不久的将来基本得到解决。一旦更多的药物进入临床应用，将开启药物研发的新时代。尽管仍有许多障碍和挑战需要克服，但PROTACs以其独特的优势具有巨大的治疗潜力。相信未来，随着技术的发展和研究的深入，PROTACs的设计和合成将逐步优化，最终将为多种疾病的治疗开辟一条康庄大道，有望为多种疾病的治疗提供广阔的前景。在不久的将来会产生临床治疗效果。总之，PROTAC技术不仅为药物化学领域的研究提供了有力的工具，也为未来临床药物的发展带来了巨大的希望。参考文献:https://www-ncbi-nlm-nih-gov.libproxy1.nus.edu.sg/pmc/articles/PMC9763089/声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号   粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓