HDAC1

徐寒梅中国药科大学二级教授（博导），海洋药学专业负责人，江苏省合成多肽药物发现与评价工程研究中心主任，国家药典委员会委员，国家级高层次人才项目入选者。主编出版 3 部论著（《新药非临床研究与开发》《抗肿瘤药物药理学实验指南》《酶类药物学》），发表学术论文 213 篇（SCI 收录 81 篇）， 申请国内专利 32 项（获授权 24 项），培养研究生 160 名（博士 29 名）。主办“第十四届中国国际多肽学术会议暨第五届亚太国际多肽学术会议”，多次受邀参加国内外学术会议报告。研究领域涉及多肽药物研发、全新微肽发现及机制研究、长链非编码 RNA 与疾病关系的分子机制。主持课题包括国家自然科学基金、国家 “863”计划、国家重大专项和重大横向课题等项目 30 余项。先后获中国药科大学“十三五”科技突出贡献奖，联合国教科文组织和平中心“2020 跨文化科技大使”，教育部技术发明奖一等奖，中国产学研合作创新成果 奖二等奖，江苏医药科技进步奖一等奖、二等奖各 1 次，中国发明创业成果奖一等奖，江苏省科学技术奖一等奖，江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人，内蒙古组织部 “草原英才”等奖励和荣誉。优化规律间隔成簇短回文重复序列相关核酸酶 9 敲入效率的研究进展 PPS 洪秀，李臣诚，徐寒梅 *（中国药科大学生命科学与技术学院，江苏 南京 210009）[ 摘要 ] 基因编辑技术可以通过在基因组 DNA 中精确插入、缺失或替换而人为地修饰靶位点的遗传物质。近年来，随着规律间隔成簇短回文重复序列及其相关核酸酶9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated nuclease 9, CRISPR/Cas9）系统的发展，研究人员对各种细胞基因组进行编辑的能力大大提高，但由于同源定向修复（homologous directed repair, HDR）效率低下，许多通过抑制非同源末端连接（non-homologous end joining, NHEJ）或增强 HDR 的方法，如化学调节、同步表达和同源臂优化等被开发出来用以提高基于 CRISPR/Cas9 系统的精确基因敲入效率，重点介绍这些方法如何优化 Cas9 敲入效率的最新进展。 基因编辑是针对靶基因进行插入、敲除和定点突变以完成精确修饰的基因工程技术 [1]，目前包括锌指核酸酶（zinc-finger nuclease，ZFN）技术、转录激活因子样效应核酸酶（transcription activator-like effector nuclease，TALEN）技术和规律间隔成簇短回文重复序列及其相关核酸酶9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated nuclease 9，CRISPR/Cas9）技术[2]。天然的CRISPR/Cas9 系统由Cas9，CRISPR 衍生 RNA（CRISPR-derived RNA，crRNA）和反式激活crRNA（trans-activating crRNA，tracrRNA）3 部分组成，crRNA 和 tracrRNA 通过局部碱基配对形成引导RNA（guide RNA，gRNA），与 Cas9 蛋白结合并引导其识别和切割目标 DNA 序列 [3]。CRISPR 介导的基因编辑使研究人员能够使用 Cas9 和适当的 gRNA 在基因组特定位置有效地引入双链断裂，并且通过非同源末端连接（nonhomologous end joining，NHEJ）和同源定向修复（homologous directed repair，HDR）2 种修复途径，实现突变或外源基因插入 [4]。NHEJ 修复方式通过在双链断裂处引入小的插入或缺失，造成基因移码突变；当外源模板存在时，可通过 HDR 实现基因的精准修复或片段插入 [5]。尽管 CRISPR/Cas9 可通过 HDR 介导基因敲入，但 HDR 仅在 G2 和 S 期细胞中活性较高，因此，对于神经元细胞等分裂缓慢或处于有丝分裂后期的细胞并不适用；此外，NHEJ途径是细胞中 DNA 修复的主要方式 [6]。因此，上述2 种因素导致 HDR 介导的基因修复效率较低，仅为0.1%~6.5%[7]。CRISPR 系统递送是实际应用的关键，目前它能通过 3 种形式被递送到细胞中，包括 DNA（质粒DNA）、信使 RNA（messenger RNA，mRNA）以及核糖核蛋白（ribonucleoprotein，RNP），不同的递送形式在病毒载体或非病毒载体的协助下进入细胞，从而完成靶标基因的编辑。第 1 种 DNA 递送需将 Cas9 蛋白、单向导 RNA（single guide RNA，sgRNA）的 DNA 序列构建于质粒载体中，再对质粒进行病毒包装（如慢病毒、腺相关病毒等），最终 Cas9 蛋白和 sgRNA 序列在病毒介导下进入细胞从而起始基因编辑。它操作简单且成本低，适用于基因功能的研究，但存在如下缺点：1）质粒载体过大，从而导致病毒包装效率和递送效率降低；2）DNA 序列需经转录、翻译形成 Cas9 蛋白、sgRNA 再起始编辑功能，降低了编辑效率；3）转染后的 Cas9 基因序列不易去除，导致 Cas9 蛋白长期存在细胞中，易引发更大的毒性和副作用 [8]。第2 种 mRNA 递送是将 Cas9 的 mRNA、sgRNA 序列在非病毒载体的介导下递送至靶细胞，起始基因编辑。这种递送形式的优点是由于 mRNA 无需转录，经翻译后即可启动基因编辑，使得编辑效率高于DNA 递送形式，且因 mRNA 不会长久维持在细胞中，从而降低了 CRISPR 系统的脱靶率。不过，由于 mRNA 的稳定性较差，对递送载体有较高要求。第 3 种 RNP 递送是将 Cas9 蛋 白、sgRNA 组装成RNP，然后通过非病毒载体直接递送于细胞中起始基因编辑，为目前最高效的 CRISPR/Cas9 基因编辑策略。该递送形式优势明显，递送至细胞后无需转录、翻译过程，直接起始基因编辑，从而能显著提高编辑效率，且 RNP 一般在细胞内 48 h 即可降解，不会在细胞中长期存在，从而降低了对细胞的毒性和不良影响，极大降低脱靶率，此外 RNP 递送不受细胞类型限制，使编辑更加精准、高效。但是 RNP转染的缺点是编辑时间较短，需在一段时间内提供足够的编辑工具，以便进行足够的编辑；并且，由于需要大量合成 Cas9 蛋白和 sgRNA，导致 RNP 转染的成本相对较高；在实验中选择RNP 转染还需要考虑 sgRNA 和 Cas9 蛋白的适配性。总之，CRISPR技术的快速发展提高了研究人员对细胞进行精确基因编辑的能力，但 CRISPR/Cas9 技术目前仍面临递送效率低、HDR 效率低、脱靶性，以及毒性和副作用等多种问题 [9]。鉴于 Cas9 诱导断裂的 HDR 效率相对较低，本文主要通过对供体模板及递送方式的优化，外源加入调控 NHEJ 或 HDR 相关信号通路、染色质开放或关闭状态、细胞周期的小分子化合物，构建敲除或过表达细胞系或利用小干扰 RNA（small interfering RNA，siRNA）调控细胞信号通路关键蛋白的表达，以及对 Cas9 系统的优化等方法来优化Cas9 敲入效率，从而提高编辑的特异性和减少脱靶效应，提升基因编辑的传递效率和导入能力，并实现更大片段的精准编辑，加速了基因编辑技术向临床转化，对于解决基因编辑面临的主要难点具有重要意义。1供体模板的优化策略常见供体模板有质粒、双链 DNA（double strand DNA，dsDNA）和单链 DNA（single-stranded DNA，ssDNA）3 种。质粒作为基因敲入模板，不仅制备周期长，且高浓度导入会造成较强的细胞毒性 [10]。因此，研究者常使用 dsDNA 或 ssDNA 作为供体模板。对于小片段的插入，通常选用 ssDNA 供体；对于荧光蛋白或基因表达盒等大片段插入，则一般选择dsDNA 和质粒供体。值得注意的是，左右同源臂一般以待敲入的目的细胞基因组为模板扩增，以避免不同细胞基因组差异导致左右同源臂不同源而降低 HDR 效率。由于通过同源重组修复途径敲入大于 2 000 bp 的长基因片段很难成功实现，因此，供体模板的设计是基因敲入实验所面临的主要挑战之一。下面将对模板选取及设计过程中可能遇到的问题进行归类分析，如根据敲入目标片段的长度和靶标的类型选择合适的模板的类型及设计最佳的同源臂大小来提高敲入效率（见表 1）。1.1供体模板的设计在基因编辑实验中，当插入目标片段长度小于 2 000 bp 时，ssDNA 在包含较短同源臂的情况下可以产生比 dsDNA 更高的 HDR 效率；无论使用 ssDNA 或 dsDNA 供体，使用非前间隔序列邻近基序（protospacer adjacent motif，PAM）链供体的HDR效率略高于PAM链供体，Liang等[11]研究表明，最优ssDNA的总长度约为200个碱基，30个碱基的3'端短同源臂和 40 个碱基的 5' 端长同源臂组成的不对称同源臂供体 DNA 在诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPSC）中可实现 45% 的敲入效率。此外，当 sgRNA 的切割位点位于敲入位点上游 5 bp 或下游 3 bp 时，基因的敲入效率最佳。值得注意的是，为了避免二次切割，可将对应 sgRNA 的PAM 或邻近 PAM 的序列进行同义突变。当目标片段长度大于 2 000 bp 时，选择同源臂长度为 600 ~ 2 000 bp 的质粒或 dsDNA 更加合适。然而哺乳动物细胞中对于长片段 DNA 的精准插入效率非常低，Gao 等 [12] 开发了简单的基因组编辑方法，称为转录偶联 Cas9 介导的编辑（transcription-coupled Cas9-mediated editing，TEd）， 当 插 入 大DNA 片段时它可以实现比传统 Cas9 介导的编辑更高的效率。首先研究者发现处于转录耦合状态的供体 DNA 能够显著提高绿色荧光蛋白（gene fluorescent protein，GFP）的精准插入效率，随后基于上述发现设计开发了一系列优化的 TEd 基因编辑系统，通过在同源供体 DNA 上引入启动子以形成 TC-donor（transcription-coupled HR-donor）， 并在其转录产物 TC-RNA 的 3' 端添加多个 MS2 茎环结构（MS2 binding loops）以及在 Cas9 上融合 MS2适配体的结合结构域，该团队发现优化后的 TEd 系统对于 GFP 的精准插入效率可以达到传统方法的 10倍左右，并在高达 10 000 bp 的 DNA 片段敲入方面也获得了很好的效果。总之，在 Cas9 实验中，当插入片段长度小于2 000 bp 时，ssDNA 供体可提供更短的同源臂，获得比 dsDNA 形式的模板更高的插入效率；当目标片段长度大于 2 000 bp 时，应选择同源臂长度为 600 ~2 000 bp 的质粒或 dsDNA。与相同长度的 ssDNA 供体相比，长 dsDNA 供体更有可能产生细胞毒性：供体越长，细胞毒性就越明显，且增加较长 dsDNA 供体的浓度也会导致毒性的产生。dsDNA 供体的另一问题是它们更倾向于插入整个供体序列，包括同源组。此外，在设计 HDR 供体 DNA 的时候，还应该注意以下 2 点：1）如果在 HDR 实验中使用 Cas9 核酸酶，最好使用与目标 DNA 的 2 条链匹配的同源序列检测 ssDNA 供体；2）当使用 Cas9 系统时，要避免在 HDR 修复后重新产生 PAM 位点。设计 ssDNA供体序列，应在 PAM 位点引入同义突变，这样 RNP就不能识别修复后的序列。否则，Cas 核酸酶可能会重新切割修复后的 DNA，除了所需的 HDR 突变外，还会形成 NHEJ 介导的插入缺失。因此，设计 HDR供体模板时，要注意区分短型插入和长型插入。对于较短或中等长度插入，建议使用 ssDNA 作为 HDR 供体模板。根据敲入目标片段的大小选择合适的供体类型及最佳长度的左右同源臂，并对 PAM 位点引入同义突变，同时，也要考虑敲入不同靶标的难易程度，从而不断提高 HDR 介导的敲入效率。1.2 供体模板的修饰对供体模板进行化学修饰或组蛋白修饰将提高其稳定性及基因编辑效率。考虑到 dsDNA 在细胞内极易被降解、敲入效率低，Akhmetzyanova 等 [13] 研究发现，双链模板的末端修饰能提高供体的稳定性，他们采用体外合成 Cas9-RNP 和 5' 端修饰的短同源臂dsDNA 供体进行结合，选择了 13 种化学基团对双链模板进行修饰，并选用 HCT116 细胞进行筛选和效率测试，结果发现所有修饰均能在不同程度上提高编辑效率，其中利用化学基团 C6-聚乙二醇 5' 端修饰的dsDNA 模板能够将敲入效率提高为未修饰模板的 5~6 倍，并且在 293T 细胞中将长度为 700 bp DNA 片段的敲入效率提高到 65%。此外，在短的 ssDNA 模板的5'端或3'端添加硫代磷酸二酯键能提高其稳定性，减少核酸外切酶的影响，从而提高在 iPSC 和 Jurkat细胞等核酸酶水平高的细胞中的编辑效率。另外，在基于 HDR 的基因编辑中，通常以纯化或“裸露”的 DNA 为供体模板。但细胞中的DNA 是被组蛋白包裹成染色质的天然形式存在的，而组蛋白 H3K36 三甲基化（H3K36me3）是人类细胞HDR 至关重要的修饰，Cruz-Becerra 等 [14] 发现，与裸 DNA 供体模板相比，组蛋白修饰的染色质供体模板能够更有效地发生同源链配对，其基因编辑效率是裸 DNA 供体模板的 2.3~7.4 倍。综上，利用 5' 端化学修饰的 dsDNA 作为模板，结合高稳定和低脱靶性的 Cas9-RNP 递送，能够实现比未修饰情况下高出 5 倍的敲入效率，并且在人类胚胎肾脏细胞中对长度为 700 bp 的 DNA 片段实现了效率达 65% 的敲入。通过用更稳定的硫代磷酸二酯键替代磷酸键，对 ssDNA 供体进行末端修饰，可以增强其稳定性。该策略不仅大幅度地提高了敲入效率，也极大地缩短了制备周期，给未来的基因编辑实验和基因治疗手段提供了更大的可能性。另一方面，H3K36me3 和 H3K4me3 甲基化修饰介导人类细胞中的同源重组与 Cas9 融合，使得 HDR 效率提高了 3 倍，且减少了脱靶效应，证明了组蛋白修饰提高了 CRISPR/Cas9 介导的 HDR 修复效率。1.3 供体模板与 Cas9 的递送形式目前有以下几种方法可将 CRISPR/Cas9 及其组分递送到目标细胞，包括 Cas9-RNP，Cas9-mRNA和 Cas9 质粒形式以及病毒、非病毒等载体。1.3.1 Cas9-RNP Cas9-RNP 复合物由 Cas9 蛋白和sgRNA 组成，该形式递送 Cas9 蛋白和 sgRNA 是最直接简便的方法，无需转录和翻译过程，能直接快速启动基因编辑过程，脱靶率低且毒性小。但由于Cas9-RNP 复合物尺寸较大不易包封，该形式递送存在一定的难点 [15]。Chandrasekaran等[15]通过电转将 Cas9/sgRNA导入原代 T 细胞，成功实现了近 40% 的基因编辑效率；进一步引入 HDR 模板，产生了 20% 的基因敲入效率。Kim等[16] 通过电转的方式将 Cas9/sgRNA 递呈至人红白血病细胞系（K562），通过改变 sgRNA靶向不同的位点，分别获得 16%~72% 的编辑效率，平均效率为 44%。在其他方式难以转染的人成纤维细胞和多能干细胞中，通过电转也能分别得到 19%和 23% 的基因编辑效率。1.3.2 Cas9-mRNA RNA 水平递送编码 Cas9 蛋白的mRNA 和 sgRNA，mRNA 能较快启动基因编辑，但该递送方法的局限性在于 mRNA 本身稳定性差且在体内外都容易受到 RNA 酶的降解，限制了基因编辑的持续时间，降低了基因编辑效果 [17]。Liu 等 [18] 发现结合了二硫键的脂质纳米颗粒BAMEA-O16B可以高效地将 Cas9 mRNA 和 sgRNA传递到细胞中。研究表明，使用BAMEA-O16B同时递送 Cas9 mRNA 和 sgRNA 可以抑制 293T 细胞的 GFP 表达，基因编辑效率高达 90%。 1.3.3 Cas9 质粒 由于稳定性高、操作简单、成本低等优点，从 DNA 水平递送编码 Cas9 蛋白和sgRNA 的质粒成为常用的递送形式。然而递送质粒会降低基因编辑效率，延长 Cas9 切割时间从而增加脱靶率 [18-19]。Liu 等 [18] 设计了基于聚合物/无机杂化纳米粒子的双重靶向递送系统，将 CRISPR/Cas9 质粒递送至人乳腺癌细胞 MCF-7 细胞核中，基因编辑效率高达90%。Zhang 等 [19] 研发了基于聚乙二醇-b-聚乳酸-羟基乙酸二嵌段共聚物 [poly (ethylene glycol)-b-poly (lactic-co-glycolic acid)，PEG-b-PLGA] 纳米颗粒的递送系统，其能够将 CRISPR/Cas9 质粒 DNA 递送至多个器官的血管系统中，并实现了 80% 的基因编辑效率。1.3.4 病毒和非病毒载体 病毒载体是 CRISPR/Cas9系统最常用的递送载体，但病毒载体可能会导致宿主产生有害的免疫原性和突变，限制了其应用；非病毒载体具有免疫原性低、无内源病毒重组的优点，因而纳米粒子制剂载体受到广泛的关注 [20]。基于阳离子脂质体的纳米颗粒常用于递送CRISPR/Cas9 系统，Zhang 等 [21] 合成了新型聚乙二醇磷脂修饰的阳离子脂质纳米粒子递送系统，从而使体外 A375 细胞的转染效率达 47.7%，且含有酯基的可生物降解的脂质样化合物在体内外均表现出有效的 Cas9 mRNA 递送。壳聚糖也是良好的聚合物载体，Qiao 等 [22] 将红色荧光蛋白包封在壳聚糖中形成带正电荷的纳米颗粒，将 Cas9-RNP 和 ssDNA 供体同时递送到细胞质中，具有很高的基因组编辑效率且无细胞毒性。目前，基因编辑体内递送相关的免疫原性问题仍需进行全面分析，体内已存在的与递送载体相关的中和抗体有可能对基因编辑形成干扰，对 Cas9 或其他基因编辑元件的细胞免疫反应可导致转染细胞被清除，基因编辑在转染细胞中长期持续的表达也可能激活适应性免疫反应。与长期表达的递送方式相比，瞬时递送的优势就在于能够降低脱靶的概率，这在体内基因编辑中尤其重要，因为即使非常低频的脱靶在长期表达时也可能导致癌变。Cas9-mRNA 为快速、稳定性差且在体内外都易受到降解的递送形式，适用于周期短的实验研究；Cas9 质粒稳定性高、操作简单、成本低，是常用的体外递送形式，但由于各类转染试剂存在细胞毒性，并且切割时间长，容易引起脱靶效应；与以 DNA/RNA 为基础的递送技术相比，RNP 体系直接在体外将 Cas9 蛋白和 gRNA 组装形成 RNP 复合物，通过电转法等方式导入靶细胞，实现 Cas9 的瞬时表达。该递送形式使细胞毒性更低，半衰期更短，同时采用其进行基因编辑可带来更低的脱靶效应。由于 RNP 在血液中易被蛋白酶降解，RNP 介导的CRISPR 基因编辑更多用于体外实验 [23]。目前病毒载体仍然是临床试验的常用载体。病毒载体可实现高转染效率，但是存在包装外源片段长度有限、免疫原性强和具有潜在脱靶效应等局限性。其中，慢病毒宿主范围广，基因容量大，感染效率高，能整合基因到宿主细胞，实现长期稳定表达，常构建稳定株；腺相关病毒免疫原性低，具有多种血清型，体内扩散能力强，常用于体内研究；腺病毒携带外源基因片段大，感染效率高，主要用于体外难感染的细胞。非病毒载体的原理是采用人工合成的载体材料的物理化学性质来介导基因的转移，包括脂质纳米颗粒、电穿孔、细胞穿透肽等作为递送方式。与病毒载体相比较，非病毒载体具有安全性高、包装尺寸大、免疫原性弱、靶向性可控的优点，但实验耗材成本高，存在细胞毒性，部分细胞类型递送效率低 [24-25]。因此，研究人员可根据实验需求选取合适的递送方式，例如 Cas9-RNP，Cas9-mRNA，Cas9 质粒以及通过病毒和非病毒载体包装的递送系统，包括阳离子脂质体的纳米颗粒、壳聚糖等，从而能在体内外有效提高基因编辑效率。2 调控 DNA 双链断裂修复的小分子化合物 如前所述，自然界中 HDR 的频率非常低，哺乳动物细胞通过多种机制优先使用 NHEJ 进行 DNA 双链断裂（double-strand break，DSB）修复，除了有丝分裂外，NHEJ 在整个细胞周期中都是活跃的，而 HDR 仅限于 S 期和 G2 期活跃。研究表明，NHEJ小分子抑制剂、HDR 激活剂和细胞周期抑制剂可影响 DSB 修复的不同方面，使 DSB 修复平衡转向HDR，有利于提高 CRISPR/Cas9 系统的基因敲入效率（见图 1），如细胞周期抑制剂可通过延长细胞周期的 S 期和 G2 期的长度以提高 HDR 的效率 [26]。目前开发的小分子化合物已被用于提高 HEK 293细胞、人类 iPSCs、小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESCs）和小鼠胚胎中的 HDR 效率（见表 2）。2.1 调控 HDR 与 NHEJ 相关信号通路的小分子 参与双链断裂 DNA 修复途径的某些小分子通过作用于 DNA 修复过程中的关键蛋白以有效提高敲入效率（见图 1）。DNA 修复途径包括 HDR和 NHEJ。HDR 激活剂或 NHEJ 抑制剂可有效提高 HDR 敲 入 效 率。 其 中 HDR 激活剂有 RS-1 和brefeldinA；NHEJ 抑制剂包括 SCR7，L755507，NU7026，白藜芦醇，NU7441 和 KU-0060648。RAD51 是有丝分裂细胞中催化 DNA 同源重组修复过程中同源配对的唯一蛋白，其通过介导 DNA链配对和交换而参与 DNA 同源重组修复。Song 等[27]研究表明，RS-1 可激活 RAD51 蛋白，使 RAD51 蛋白与 DNA 的结合更稳定，从而将 HDR 修复效率提高 3 倍，值得注意的是，高浓度 RS-1 具有较强的细胞毒性。胞内蛋白运输抑制剂能抑制物质从内质网向高尔基体的运输，Hong 等 [28] 研究发现，使用胞内蛋白运输抑制剂 brefeldinA，可将 HDR 效率提高 2 倍。DNA 连接酶Ⅳ（DNA ligase IV，LIG4）是 NHEJ途径的关键酶，Ray 等[29] 发现 SCR7 是 LIG4 的抑制剂，能抑制 NHEJ 活性，在 A549 细胞中，相较于未处理的对照组，SCR7 使靶位点的插入效率提高约 3 倍。β3-肾上腺素能受体是一类 G 蛋白偶联受体，Murakami等 [30] 研究发现 L755507 和 NU7026 是β3-肾上腺素能受体激动剂，可增强 CRISPR 介导的HDR 效率，最佳使用剂量为 5 μmol·L-1，并且在 24 h以内效果最佳，可将敲入效率提高 3 倍。为了研究DNA 依赖性蛋白激酶催化亚单位（DNA-dependent protein kinase catalytic subunit，DNA-PKcs）对 DSB的 NHEJ 修复途径的影响，Sak 等 [31] 评估了 DNAPKcs 特异性抑制剂 NU7441 对不同状态的非小细胞肺癌细胞株 DSB 修复的细胞周期特异性作用，结果显示 NU7441 以细胞周期依赖性的方式抑制 NHEJ的效率。Robert 等 [32] 研究显示，DNA 蛋白激酶抑制剂 NU7441 和 KU-0060648 能抑制 NEHJ 活性，将 HDR 效率提高 3 倍。Li 等 [33] 研究发现，白藜芦醇可抑制 LIG4 的表达，使猪胎儿成纤维细胞的 HDR 效率提高 2~3 倍。此外，他们还发现白藜芦醇以剂量依赖性的方式抑制 S 期猪胎儿成纤维细胞，而 HDR 相关基因如RAD51 和 RAD52 的表达与白藜芦醇呈剂量依赖性增加。因此，白藜芦醇通过与多个 DNA 损伤相关蛋白相互作用，增加了 CRISPR/Cas9 介导的 HDR 效率。综上，为了提高 CRISPR/Cas9 介导的 HDR 效率，研究人员可选择性使用小分子化合物，如 HDR 激活剂 RS-1 和 brefeldinA 分别作用于靶标 RAD51 和高尔基体，将敲入效率提高 2~ 3 倍；NHEJ 抑制剂包括SCR7，L755507，NU7026，NU7441，KU-0060648和白藜芦醇等，通过作用于不同的靶标，主要有LIG4，DNA 蛋白激酶和 β3-肾上腺素能受体，抑制NHEJ 修复途径，从而使 HDR 修复效率提高 2~5 倍。2.2 调控染色质开放或关闭状态的小分子靶向 DSB 的可及性主要取决于染色质状态，并且 DNA 有效修复的第一步是允许修复途径相关的蛋白质结合，HDR 与 NHEJ 的修复平衡与染色质结构的状态相关。染色质结构的开放或关闭状态主要由组蛋白乙酰化和去乙酰化的平衡控制，而组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰化酶（histone acetylase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）严格调控。乙酰化导致开放活跃的染色质状态，HDAC 使组蛋白去乙酰化，实现染色质致密卷曲。HDAC 抑制剂可通过提高染色质特定区域组蛋白乙酰化水平，促进开放染色质位点，从而调控CRISPR/Cas9 的基因编辑效率 [34]。HDAC 抑制剂能抑制 NHEJ 关键因子的去乙酰化，显著增加 G2/M 期的细胞百分比，并相应减少了 G1/S 期的细胞数量，从而促进HDR 修复途径。Li 等 [35] 通过评估组蛋白修饰剂如 HDAC 抑制剂和HAT（靶点包括 p300/CBP，Tip60 和 MOZ）抑制剂对 CRISPR/Cas9 介导的基因编辑效率的影响，证明了抑制 HDAC1 和 HDAC2 的活性，能够增强 HDR介导的基因敲入效率；相反，抑制 HDAC3 会降低基因编辑效率。因此，HDAC 抑制剂作为内源性途径调控因子，能抑制 NHEJ 修复途径，提高 HDR 修复效率，为细胞自身修复途径的基因编辑提供有力条件。2.3 调控细胞周期的小分子由于 HDR 发生在细胞周期的 S 期和 G2 期，所以一些研究将细胞周期抑制剂与基因编辑相配对，使细胞周期同步化并将靶细胞阻滞或延迟在 S 期或G2 期从而提高 HDR 效率（见图 2）。细胞周期抑制剂通过抑制微管聚合来使细胞停滞在 G2/M 期。Lin 等 [36] 对 6 种可逆化学细胞周期抑制剂进行了评估，包括 4 种 G1/S 阻滞剂（阿菲迪霉素、羟基脲、含羞草素和胸腺嘧啶），1 种 G2/M阻滞剂（诺考达唑）和 1 种 M/G1 阻滞剂（洛伐他汀），该研究发现诺考达唑和另一 G2/M 阻滞剂（ABT-751）可通过作用于 β 微管蛋白来增强 CRISPR/Cas9 活性，将 HDR 修复效率提高 3~6 倍。周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）是调节细胞周期进程的异二聚丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在 S 期阶段该酶的活性增加激活了 HDR修复通路的关键标志，如激活 DNA 末端切除过程。Smirnikhina 等 [37] 利用 CDK 抑制剂靛红素，通过在S 期或 G2 期阻滞靶细胞，提高了 CRISPR/Cas9 介导的 HDR 修复效率。细胞分裂周期7 相关蛋白激酶（cell division cycle seven associated protein kinase，CDC7）属于丝氨酸-苏氨酸激酶，可被 Dbf4 依赖性激酶（Dbf4-dependent kinase，DDK）激活，是细胞进入 S 期的必要因子，抑制 CDC7 蛋白可导致细胞周期停滞在 G1/S 期。CDC7/DDK 复合体使微小染色体维持蛋白（minichromosome mantenance protein，MCM） 维 持 磷 酸 化， 从 而 启动 G1/S 期的过渡。Wienert 等 [38] 研究发现 XL413 为CDC7 抑制剂，能够可逆地阻断 MCM 的磷酸化，并在 S 期早期阻滞细胞。在 K562 细胞中，XL413将增强型蓝色荧光蛋白（enhanced blue fluorescence protein，EBFP）和增强绿色荧光蛋白（enhanced green fluorescent protein，EGFP）的基因编辑效率分别提高了1.4 和 1.8 倍。此外，敲低蛋白 CDC7 能在可逆的 S 期减缓过程中激活 HDR 途径，使许多情况下（包括原代 T 细胞）的 HDR 修复效率提高 3.5 倍。综上，使用不同细胞周期蛋白抑制剂将靶细胞阻滞或延迟在 S 期或 G2 期可针对性地提高 HDR 修复效率。不过，细胞周期抑制剂可能引起部分细胞凋亡，研究者需要进行预实验探索最适浓度。3调控 DNA 双链断裂修复的关键蛋白表达 除了 NHEJ 抑制剂或 HDR 激活剂，还可通过构建敲除细胞系或利用 siRNA/ 短发夹 RNA（short hairpin RNA，shRNA）敲低或过表达修复通路关键蛋白来提高 CRISPR/Cas9 诱导的 HDR 效率，如敲低 Ku70，Ku80，DNA-PKcs，p53 结合蛋白 1（p53-binding protein 1，53BP1），以及过表达 RAD51 和RAD52（见表 3[39-48]），具体作用机制如图 3 所示。Chu 等 [39] 发现，在 HEK293/TLR 细胞中，Ad4蛋白处理能降低 LIG4 的表达，显著抑制了 NHEJ的效率。该研究还发现利用 siRNA 降低 LIG4 的表达可使 HDR 效率提高 2.8 倍。Li 等 [40] 利用 siRNA减少 NHEJ 通路中关键因子 Ku70 和 Ku80 的表达，增加了多个 HDR 效率，包括同源重组、单链退火和单链寡核苷酸介导的 DNA 修复。DNA-PKcs 是磷脂酰肌醇 3-激酶相关激酶（phosphoinositide 3-kinase-related kinase，PIKK）家族的成员，该家族包括具有高度同源的催化结构域的蛋白质，如 PI3K，毛细血管扩张性共济失调突变蛋白（ataxia-telangiectasia mutated protein，ATM），ATR（ATM and Rad3 related）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）[41]。DNA-PKcs 的激酶活性在 NHEJ 启动步骤中起着重要作用，Liu 等 [41] 研究表明 DNA-PKcs表达下调可使 HDR 效率增加 2.8 倍。53BP1 是真核细胞中 DSB 修复途径选择的关键调控因子，通过抑制末端切除导致 NHEJ 优先于HDR，使得 HDR 启动受限。Canny 等 [42] 通过阻断53BP1 在 DNA 损伤位点的积累，发现53BP1 抑制剂可以提高人类和小鼠细胞中 HDR 依赖基因组编辑的效率，最高可提高 5.6 倍，并提高了基因靶向性和与 dsDNA 或 ssDNA 供体的染色体基因转换。RAD51 和 RAD52 是 HDR 过程中的关键蛋白，Kurihara 等 [43] 研究发现在神经元细胞中共转染过表达 RAD51，敲入效率提高了 2.5 倍。Shao 等 [44] 研究显示，RAD52 在 293T 细胞中的过表达，使 HDR修复效率增加 3 倍。该课题组还发现 RAD52 和SCR7 的联合使用将 HDR 效率提高约 40%。CtBP相互作用蛋白（CtBP-interacting protein，CtIP） 是 同 源 重 组 早 期 步 骤 的 关 键 蛋 白， 主 要作为辅因子诱导减数分裂重组蛋白 11（meiotic recombination 11，MRE11）核酸内切酶对 DNA 末端切割，激活 HDR 途径 [45]。Charpentier 等 [46] 研究发现，CtIP 最小的 N 端片段可激活 HDR 修复，从而提高了靶位点的基因编辑效率。Engeland 等 [47] 研究显示，P21 蛋白与许多转录因子相互作用，P21 蛋白能抑制 CDK4 的活性，使周期抑制蛋白 Rb 不能发生磷酸化，细胞周期相关转录因子 E2F 不能释放，进而使细胞周期停滞在 S/G1 期，从而增加 HDR 效率。Gutshner 等 [48] 试图通过直接同步 Cas9 的表达与细胞周期进展来激活 HDR 修复活性，结果发现将人 Geminin 蛋白的 N 端区域与 Cas9 融合，诱导Cas9 在 G1 期降解，使目标 DNA 切割限制在 S/G2 期，HDR 效率增加至 87%。综上，干扰或过表达 DSB 修复途径关键蛋白的策略有利于生成精确基因修饰的细胞系和生物体，研究者可通过 siRNA 减 少 Ku70，Ku80，LIG4，DNA-PKcs，53BP1，CDK，CtIP 等表达或对蛋白RAD51 和 RAD52 过表达从而提高 HDR 修复效率，抑制 NHEJ 修复活性。除了通过调控 DSB 修复的关键蛋白表达的策略之外，Ye 等[49] 开发了新的方法，用 CRISPR 激活（CRISPRa） 或 CRISPR 沉 默（CRISPRi）来调节NHEJ 和 HDR 通 路，CRISPRi 或 CRISPRa 复合物能抑制 NHEJ 修复途径并激活 HDR 修复，显著提高CRISPR 介导的基因编辑的 HDR 效率。4优化 Cas9 系统从 Cas9 蛋白的性质出发，如表面电荷、末端残基及拓扑结构，可以对其进行修饰或改造，使其更适配于不同载体系统的体内递送，促进 Cas9-RNP的基因编辑。具体包括如下方法：1）Cas9 核酸酶的末端修饰，如添加标签蛋白或融合蛋白结构域；2）基于 Cas9 蛋白的结构特点和催化原理对其进行工程化改造，从而筛选出优异的 Cas9 突变体；3）对 Cas9 拓扑结构进行调整，如与特定蛋白功能域融合，或同时表达多个 sgRNAs 或 Cas9 实现 CRISPR/Cas9 系统的多重编辑及调控 [50]。4.1 Cas9 的修饰 CRISPR/Cas9 介导的同源重组修复是由 Cas9在 gRNA 介导的双链断裂后，在切割位点利用供体DNA 进行的修复途径。供体 DNA 在切割位点的富集程度将决定同源重组能否发生，供体 DNA 在切割区域的低浓度是同源重组的限速步骤。基于此问题，Ling 等 [51] 采用非天然氨基酸偶联技术实现 Cas9 蛋白与供体 DNA 的直接或间接偶联，将其共递送进入体内，实现切割区域供体 DNA 的有效富集，在细胞水平实现同源重组水平大幅提升10~20 倍。此外，使用含叠氮基的氨基酸对 Cas9 蛋白进行化学修饰，通过加成反应缀合供体 ssDNA 或DNA 衔接子，从而将修饰的或未修饰的供体 DNA模板募集到 RNP 复合物中，结果显示用 G1367-AeF（苯丙氨酸突变位点 G1367）RNP 和二苄基环辛炔（dibenzocyclooctyne，DBCO）修饰的 ssDNA 共转染细胞的 HDR 效率增加了1.6 倍。Huang 等[52] 开发了 Cas9 ProSNA-sgRNA 核糖核蛋白递送系统，通过在 Cas9 蛋白 N 端修饰 3 个连续的 GALA 肽促进核递送效率。结果显示 Cas9 ProSNA RNP 在 4 种不同的细胞中的基因编辑效率为 32%~47%。4.2 Cas9 突变体 CRISPR/Cas9 推动了基因编辑技术的发展，但PAM 要求限制了精确基因编辑方法的适用性，使目标编辑发生在 PAM 的特定距离或特定范围内 [53]。不过，随着人们对 Cas9 蛋白三维结构和作用机制的深入认识，通过对 Cas9 蛋白进行工程化改造就逐渐成为优化提升 CRISPR/Cas9 系统的有力手段。该方法以 Cas9 蛋白的结构特点和催化原理为指引，对Cas9 蛋白相应的结构域进行设计改造，来筛选性能更为优异的 Cas9 突变体。Huang 等 [54] 研究发现通过定向进化生成的 4 种Cas9 突变体能够共同靶向人类基因组中大多数富含嘧啶的 PAM 序列。结果显示 Nme2Cas9 突变体成功突破了传统 PAM 的限制，并实现高效的基因编辑。Wang 等 [55] 研究发现将微生物单链退火蛋白（single chain annealing protein，SSAP）与催化失活的 dCas9结合形成无切割的基因编辑器 dCas9-SSAP 具有较低的目标误差和最小的脱靶效应，可有效插入千碱基的序列，效率约达 20%。4.3 Cas9 蛋白与特定功能蛋白融合目前通过将特定蛋白或功能域与 Cas9 融合，可以有效提高 HDR 敲入效率。单碱基编辑和引导编辑器（prime editor，PE）编辑可实现精准的碱基替换和片段的插入而无需 DSB过程。该系统通过对靶位点的“搜索”和“替换”，可实现 4 种碱基之间的任意替换及小片段的精准插入和删除，克服了 CRISPR/Cas9 系统介导的 HDR 效率低和碱基编辑系统不能实现碱基颠换的困难 [56]。 Peterka 等[57]将逆转录酶和野生型 SpCas9 进行融合构建了 PEn 蛋白，利用常规的先导编辑向导RNA（prime editing guide RNA，pegRNA），PEn可通过同源依赖性 DSB 修复机制实现小 DNA 插入，效率达 50%。Jiang 等 [58] 将具有双链切割活性的 Cas9 与逆转录酶融合，并结合 2 条靶向互补 DNA链 pegRNA，开发出了 PEDAR 系统，它可以高效地诱导 20 ~ 700 bp 片段的缺失和 30 bp 片段的插入。Adikusuma 等 [59] 同样利用野生型 SpCas9 构建了新的PE 系统，并且将蛋白、pegRNA 和 nicking sgRNA 整合在同一质粒中进行表达，该系统在 293T 细胞中平均编辑效率可达 67%。此外，将该系统注射小鼠胚胎，在新生小鼠中最高可以实现 100% 的编辑效率。Aird等[60]将HUH核酸内切酶与Cas9融合表达，实现了稳定的共价 RNP-ssDNA 复合体，结果显示通过 HUH-Cas9 融合蛋白与 ssDNA 共价结合可使HDR 效率增强 30 倍。Ma 等 [61] 将最小基元 Brex27与 spCas9 融合构建成 miCas9，研究发现以 Cas9-mRNA 形式递送时，miCas9 的编辑效率提高了 2.5倍；此外，Ma 等 [62] 将 Cas9 与全长睡美人（sleeping beauty，SB）转座子（Cas9- SB）、SB 的 RED 结构域（Cas9-N123） 和 SB 的 PAI 结 构 域（Cas9-N57）融合，经流式细胞术（flow cytometry，FCM）分析显示，Cas9-N57 融合蛋白将 HDR 编辑效率提高了 1.5 倍。由于 HDR 增强子（HDR-enhancer，HE）是同源重组早期阶段的关键蛋白 CtIP 发挥活性所必需的最小 N 末端多聚化结构域，因此 HE 可通过增强HDR 提高Cas9 基因敲入效率。Charpentier 等 [63] 将HE 与 Cas9 融合，结果显示 Cas9-HE 融合物在包括人类细胞系、iPSCs 和大鼠受精卵中获得的基因编辑效率为仅用 Cas9 的 2 倍或更高。如前所述，Cas9-HE 融合物允许在若干实验系统中获得更高的转基因整合效率。此外，使用 Cas9-HE 非常简单且不需要使用基因修饰的细胞或药理学试剂，极大地提高了基因编辑应用的靶向范围，从而有利于提高 HDR 效率。HDR 和 NHEJ 之间的平衡与位点特异性的染色质状态相关。研究发现 CRISPR/Cas9 诱导 DSB的 NHEJ 修复效率在常染色区域较高，而微同源末端连接（microhomology-mediated end joining，MMEJ）和 HDR 偏向异染色质 [64]。因此可通过染色质重塑因子来调控染色质状态，使平衡偏向 HDR。Chen 等 [65] 将染色质重塑因子 PRDM9 与 Cas9 融合，将 HDR 效率提高了 3 倍，且未增加脱靶效应。 综上所述，将 Cas9 蛋白与特定功能蛋白，包括逆转录酶、内切酶、同源重组关键蛋白以及染色质重塑因子，融合表达的策略具有较高的基因组特异性，是未来基因组工程应用的有效工具。4.4 gRNA 优化和表达策略多重编辑CRISPR/Cas9系统与 TALEN 和 ZFN等核酸酶相比具有很大优势，其意味着多个 sgRNAs或 Cas9 能够同时表达从而极大地提高了 CRISPR/Cas9 系统进行基因编辑或转录调控的效率和靶向范围，多重编辑性使该系统在生物工程领域得到极大应用和发展。Hsieh-Feng 等 [66] 研究表明，高效表达多个 sgRNAs 在实现优化或多重基因组编辑中起着关键作用，研究发现各种 CRISPR/Cas9 的表达盒配置、转录本处理过程和传递策略都优化 sgRNA 的表达。此外，通过修饰或改变 sgRNA 识别区长度，可实现 CRISPR 系统的多重编辑或调控。CRISPR/Cas9 系统的特异性主要体现在 sgRNA对 Cas9 切割位点的特异性识别与结合，增强细胞内sgRNAs 的稳定性和特异性有助于提高基因组编辑效率，减少脱靶效应。基于 sgRNA 的骨架结构，可在特定位点进行修饰或改造，例如截短或延长 sgRNA 的 5'端或 3' 端来增减其长度；引入 2' 核糖化学修饰 sgRNA的骨架。此外，sgRNA 含有保守的核酸序列，可合理设计与之碱基互补配对的序列，复合成双链连接到载体上，从而提高递送效率 [67]。Wang 等 [68] 针对 sgRNA种子区核糖 2'-OH 与 Cas9 蛋白之间的相互作用位点，发现可利用特定位点的化学修饰来调节Cas9蛋白活性，通过在这些特定的位点引入 1 个发光性基团，实现了Cas9 活性的光学控制，从而间接调控基因编辑效率。综 上， 研 究 人 员 通 过 工 程 化 Cas9 蛋白或sgRNA 等方式，使 CRISPR/Cas9 系统的靶向范围、靶向特异性和保真性均得到了拓展和提高。当然，无论是通过针对 Cas 蛋白自身结构的优化改造，还是采用优化设计 sgRNA 等方式，均能在一定程度上提升 CRISPR/Cas9 系统的应用性能。5总结与展望CRISPR/Cas9 诱导的 HDR 是精确可控的基因组 DNA 编辑工具 [69]。然而，由于哺乳动物细胞对NHEJ 的偏好性大于 HDR，基于 HDR 的精准基因敲入效率很低，因此，综合考虑细胞周期和 DSB 修复的关系对于提高基因敲入效率至关重要。目前，可采用在 ssDNA 或 dsDNA 供体末端引入化学修饰以增强供体稳定性，供体共价连接到CRISPR/Cas9 系统上提高切割位点局部浓度的方法提高基因敲入效率。但这些方法存在操作困难、成本高等问题。因此，需要进一步优化供体模板，以促进 CRISPR/Cas9 介导的基因敲入在临床治疗中的应用。此外，该系统还受限于 PAM 序列的依赖性和脱靶效应，应用在人类疾病基因治疗时需要提高其保真性、安全性等因素。例如通过优化 Cas9 蛋白或gRNA 从而拓宽 PAM 序列识别范围并提高靶向特异性，通过融合效应结构域或进行转录调控。CRISPR/Cas9 系统在临床试验中的递送主要依赖于物理途径和病毒载体，这受到细胞损伤和安全性问题的严重阻碍。非病毒纳米载体的开发将有助于拓展 CRISPR/Cas9 系统的医学应用。有效和安全的递送策略仍然是 CRISPR/Cas9 系统临床应用的主要挑战。研究人员需根据每种 CRISPR/Cas9 模式的作用机制和理化性质，合理设计载体，使基因组编辑效率最大化，脱靶风险最小化。尽管研究人员已对 CRISPR/Cas9 技术进行了广泛的探索，但该技术的特异性还有待进一步提高，以减少脱靶风险，确保安全性。此外，CRISPR/Cas9系统具有多重编辑的优势，可应用于筛选对表型有调节作用的相关基因，如对化疗药物或毒素产生抑制的基因、影响肿瘤迁移的基因以及构建病毒筛选文库对潜在基因进行筛选，极大促进了基因编辑技术在生物工程领域的发展和应用。然而，对于 sgRNA 在细胞内的机制及其对Cas9 竞争作用的了解仍有待加强。参考文献 ：[1] Cong L, Zhang F. 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2024年3月8日，杭州师范大学叶向阳/谢恬团队在Journal of Medicinal Chemistry在线发表了题为“Design, Synthesis, and Structure–Activity Relationship of Novel Pyridazinone-Based PARP7/HDACs Dual Inhibitors for Elucidating the Relationship between Antitumor Immunity and HDACs Inhibition”的文章。该团队开发了一系列基于哒嗪酮的PARP7/HDACs双重抑制剂，其中化合物9l具有强效的PARP7/HDACs双重抑制活性，在体内外均表现出优异的抗肿瘤能力。组蛋白去乙酰化酶（HDACs）在染色体结构和基因表达调控中发挥着重要作用，对肿瘤细胞分化、增殖和免疫调节等过程具有许多影响，已被验证为抗肿瘤的重要靶点，目前已有五种药物（1-5）获得上市批准（图1）。聚[二磷酸腺苷（ADP）-核糖]聚合酶7（PARP7）是PARPs家族中单PARP亚家族的成员之一，能使自身和其他底物蛋白发生MARylate反应，即催化单个ADP-核糖（MAR）从烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）共价转移到其底物上。PARP7被证实通过抑制IFN-I信号转导参与细胞膜NA感应和多种病毒RNA感染。抑制PARP7能以免疫细胞依赖的方式诱导肿瘤细胞的IFN-I信号转导，从而导致肿瘤细胞死亡，使得PARP7成为一个极具吸引力的治疗靶点。Atamparib（RBN-2397，图1）是一种口服可用的PARP7选择性抑制剂（IC50< 3 nM），目前正在进行2期临床试验。BN-2397通过激活IFN-I信号通路抑制肿瘤免疫逃逸，从而抑制胰腺癌、卵巢癌、非小细胞肺等多种实体瘤的肿瘤生长。开发同时靶向HDACs和PARP7实现协同抗肿瘤作用具有重要意义。图1 HDACs抑制剂和PARP7抑制剂RBN-2397的结构。基于RBN-2397的双重抑制剂设计作者对临床候选药物RBN-2397与PARP7蛋白的共晶结构进行分析，发现其嘧啶环上的氮与ASP580形成氢键作用；哒嗪酮基团在NAD亚口袋中充当NAD模拟结合，并与PARP7蛋白的残基GLY565、GLN576和SER604形成氢键；哌嗪上的羰基和TYR596形成重要的氢键（图2A）。此外，嘧啶环上的CF3与GLY573形成额外的氢键作用，但其对PARP7活性并不重要。为了能容纳HDACs抑制剂的药效团（异羟肟酸），设计将异羟肟酸取代RBN-2397嘧啶环上的可修饰基团CF3，合成了化合物7具有HDAC1（IC50 = 34.0 nM）、HDAC6（IC50 = 83.7 nM）和PARP7（IC50 = 2.7 nM）的抑制作用（图2B）。图2 （A）RBN-2397与PARP7蛋白共晶结构中的相互作用；（B）第一种PARP7/HDACs双重抑制剂化合物7的结构；（C）化合物7与PARP7蛋白的相互作用；（D）化合物7与PARP7催化结构域结合的表面图；（E）BN-2397（绿色）和化合物7（蓝色）在PARP7中的叠加。随后，作者在此基础上进行异羟肟酸和哒嗪酮支架之间的片段Y和R1的结构改造（图3A），以进一步提升对PARP7、HDAC1和HDAC6的抑制活性。但化合物8a-8g的效力并没有显著提升。接着，作者保留了化合物7的Y和R1区域，在嘧啶环和异羟肟酸之间插入不同长度和类型的linker以提高对HDACs的抑制活性（图3B）。在将linker从具有酰胺官能团的直烷基链、吡唑基烷基链和苄氧基替换为烯丙基苄基后，得到活性最好的化合物9l（对PARP7、HDAC1和HDAC6的IC50分别为3.1 nM、35.0 nM和6.4 nM）。图3 PARP7/HDACs双重抑制剂8和9的设计。在体外细胞活性测试中，化合物9l对NCI-H1373和MV-4-11两种细胞系均显示出优异的抑制活性（≥ 99% at 10 μM，图4），比RBN-2397和SAHA效力更强。且与RBN-2397相比，化合物9l对MV-4-11和U937两种血液肿瘤细胞株显示出更强的抑制活性，与SAHA相比，活性略好。在对PARP7缺乏敏感性的NCI-2066细胞系中，化合物9l显示出比RBN-2397更强的抗细胞增殖活性。图4 PARP7/HDACs双重抑制剂的抗增殖活性测试。化合物9l可恢复IFN-β的产生和组蛋白H3的乙酰化研究表明，HDACs抑制剂，尤其是在用SAHA处理的细胞中，会降低磷酸化STAT1的水平和干扰素刺激基因的表达。作者以RBN-2397作为对照，在用固定浓度为1 μM的RBN-2397处理的NCI-H1373细胞中，加入不同浓度的SAHA显示，SAHA的增加会降低STAT1的磷酸化水平（在SAHA的最高浓度下，磷酸化可完全被抑制），而H3的乙酰化水平则不受影响（图5A）。化合物9l能显著提高p-STAT1和乙酰化H3的水平，而9h对p-STAT1水平没有影响（图 5B）。图5 （A）HDACi对PARP7i（RBN-2397）诱导p-STAT1水平的影响；（B）RBN-2397和SAHA组合以及不同浓度的9h和9l对Ac-H3和p-STAT1水平的影响。进一步的实验发现，随着9l浓度的增加，STAT1磷酸化水平、H3乙酰化水平和微管蛋白乙酰化水平逐渐升高（图6）。化合物9l通过同时抑制PARP7和HDACs可导致H3乙酰化水平升高，IFN-β和CXCL10的mRNA表达水平升高。这些发现意味着化合物9h只抑制组蛋白去乙酰化酶的活性，而化合物9l则具有同时抑制PARP7和HDAC的能力。图6 化合物对IFN-β和CXCL10表达水平的影响以及化合物对p-STAT1水平、Ac-H3和Ac-Tubulin的影响。化合物9l对PARPs和HDACs的选择性探究化合物9l具有强效的PARP7和HDAC6抑制活性，并且相比HDAC1，对HDAC6具有一定程度的选择性。化合物9l具有与SAHA相似的选择性，它对HDAC6的抑制活性（IC50 = 6.4 nM）略好于HDAC1-3（IC50 = 30~35 nM）；对HDAC8的活性较低，对HDAC11的活性最差（图7）。在对PARP同工酶的抑制活性中，化合物9l与RBN-2397具有相似的选择性。它对PARP7和PARP2的活性水平相同，但对PARP1、PARP5A和PARP5B的活性略高。图7 化合物9l对HDACs和PARPs的抑制活性。化合物9l的体内活性探究化合物9l以5 mg/kg的剂量通过静脉注射（iv）途径给药。结果显示，该化合物的清除率高达94.2 mL/min/kg，半衰期（t1/2）为13.3 h（表 8A）。口服10 mg/kg剂量的9l表现出极低的血浆暴露量，导致口服生物利用度较低（%F低至2.4%）。初步的PK评估表明，在异种移植小鼠模式的体内抗癌疗效概念验证（POC）研究中，口服给药是首选的给药途径。在BALB/c裸鼠CT26异种移植模型中，腹腔给药治疗17天，能明显减少肿瘤的生长（图8B、C）。当给药剂量为75 mg/kg时，9l的抗肿瘤效果最好，对肿瘤生长的抑制作用高于SAHA（50 mg/kg）和RBN-2397（50 mg/kg）。此外，实验小鼠均未出现体重明显减轻等副作用。图8 （A）化合物9l的PK表征；（B、C）在CT26荷瘤小鼠体内的抗肿瘤作用。总结在本研究中，作者首次设计并合成了一系列新型PARP7/HDACs双重抑制剂。在这些新化合物中，化合物9l对PARP7和HDACs在酶水平上都有很强的抑制活性。为了揭示同时在分子水平上靶向PARP7和HDACs能否产生协同药理作用，研究人员对化合物9l进行了一系列体外和体内实验。结果表明，同时靶向PARP7和HDACs可能无法实现协同抗癌效果，因为这两种途径的作用会相互抵消。不过，先导物9l是有史以来首次报道的PARP7/HDACs双重抑制剂，可作为进一步生物学研究的分子工具。原文链接：https://pubs-acs-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/10.1021/acs.jmedchem.4c00090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↓

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↓