全球热头条丨突破不可成药靶点的PROTAC技术解读

PROTAC(Proteolysis Targeting Chimera)蛋白靶向降解嵌合体，是通过泛素蛋白酶体系统诱导靶向蛋白降解的一种全新技术。用来清除肿瘤细胞内的特定蛋白，使其不能发挥致癌作用，以达到肿瘤治疗的目的。癌症从本质上来说是一种基因病，几乎所有的癌症都源于基因突变，除了手术切除、放疗和化疗外，分子靶向技术也在迅速发展。基因突变所产生的致癌因子，对肿瘤的生长起着十分关键的作用。而PROTAC分子可以直接将致癌因子清除，从而靶向治疗肿瘤。PROTAC分子由三种元素组成，E3泛素连接酶配体、靶蛋白配体和连接子Linker。E3泛素连接酶配体负责特异性招募E3泛素连接酶。靶蛋白配体用于靶向和捕获目标蛋白。Linker用于结合这两个配体形成稳定的三元复合物。因此PROTAC分子能够将E3泛素连接酶募集到靶点蛋白附近，为靶点蛋白贴上"泛素"标签，而在细胞上打上泛素标签的蛋白将被送入蛋白酶体进行降解。这样PROTAC分子就能够特异性的促进致病蛋白的降解。

对于PROTACR的研究是从2001时开始有逐渐的报道，在2017年之后出现了研究的井喷状态。

(资料图)

传统小分子药物研发面临的困境和挑战

根据Global Data报告Look Ahead to 2022 -The Future of Pharma，预计未来5年生物制剂的销售额将大大超过创新小分子药物的销售额。预计到2027年，生物制剂的销售额将比小分子销售额高出1200亿美元。

相关文献报道与疾病相关靶点蛋白有62%是不可成药的，还有25%约有1200多种不是适合作为药物靶点的。已经有药物上市的靶点占据13%。所以市面上能够上市销售的成药靶点药物占比是很低的，很多跟疾病相关的靶点蛋白是不可成药的。所以综上所述，小分子药物的市场份额逐渐减少，也是由于小分子药物的研发起步早，相对简单，比较早的被发现，但成药靶点发现缓慢，小分子药物发现增速降低了。大量难成药的靶点没有合适的药物去治疗。而且化药在治疗过程面临着靶点的基因突变尽而带来耐药性。小分子降解剂的发展，尤其是蛋白降解靶向嵌合体（PROTACs），使得靶向不可成药的蛋白靶点或耐药突变靶点成为可能。

PROTAC成药特点，突破不可成药靶点及耐药

细胞内蛋白降解的两大系统，在真核细胞中负责蛋白质和细胞器降解的两大系统分别是泛素蛋白酶体系统和自噬溶酶体系统。泛素蛋白酶体系统将体内错误折叠的可溶性蛋白，它被泛素E3连接酶贴上了泛素（Ub）的标签，被贴上泛素标签的蛋白可以直接结合蛋白酶体的泛系受体而被降解，也可以结合到运输载体上通过载体的PBD端与蛋白酶结合，进而被降解。

PROTAC无需与靶蛋白高强度结合，可靶向蛋白范围扩大，它与小分子药物作用机制的区别是，它是"事件驱动"，触发靶蛋白与E3连接酶的结合，无需直接抑制靶蛋白的功能活性，只要能给靶蛋白贴上泛素标签基本上就算是成功了，也无需跟靶蛋白长时间和高强度的结合。

PROTAC它是促使靶蛋白降解之后可以从复合物中解离进入下一个催化循环，因此根据这一特点有可能将来用药的频率和剂量都相对于小分子药小很多。PROTAC跟蛋白的结合不需要很高的结合活性，因为有催化的性质，就可以用低剂量很长的周期给药的特点。

而小分子是一定要"占位驱动"的形式，一定要连接到靶蛋白的某一结构域上形成一个稳定的连接，从这种关系上来说，小分子化药一定要有很强的活性，才可进入药物的开发过程。小分子药物是需要足够多的剂量使靶点饱和，并且需要足够长的半衰期能够长久持续抑制靶蛋白。

PROTAC克服靶点耐药潜力明确

化药在治疗肿瘤时后期会由于肿瘤基因突变导致化药的耐受，理论上PROTAC分子是可以避免这样的情况发生的。

PROTAC选择性不同于TKI（洛氨酸激酶抑制剂），PROTAC分子除了发挥与靶蛋白结合之外，还需要使靶蛋白与E3连接酶保持稳定的空间构象才能完成泛素化反应。这相当于对蛋白选择性的筛选。例如多激酶抑制剂Foretinib在竟争性结合实验中对100余种激酶具有较强的抑制活性（选择性差），而基于Froetinib设计的PROTAC分子可以结合54种激酶（选择性有所提高），但最终只能降解＜15种激酶（选择性大幅提高），PROTAC在某些靶点上有潜力实现更高的选择性，从而避免"off target"带来的正毒副作用。

PROTAC引发蛋白降解后即从复合物中分离，并进入下一个催化循环，药物作用效率高，可快速将细胞内靶蛋白降解，并且细胞内疾病蛋白合成速度较为缓慢，即便经过代谢后PROTAC在体内清除细胞仍需要较长的时间将靶蛋白恢复至发挥生理作用的水平，从而有望延长药物作用时间，因此PROTAC有望在低药物剂量低给药频率下实现持久的疗效，这一潜力在临床前研究中已得到初步证实，一款靶向RIPK2的PROTAC降解剂动物给药168h后，体内血药浓度已降到10ng/ml以下，而此时RIPK2蛋白仍然可以维持较低含量，致炎因子TNFα也维持在较高的抑制水平。

机遇和挑战

Linker的设计合成需要复杂的优化过程，目前报道的PROTAC分子中，Linker的选择以聚乙二醇和烷基链为主，但线性脂肪链或醚结构有被氧化代谢的风险，大大减少了药物暴露浓度和时间，加快PROTAC分子排出体外，其它的Linker还有烷烃、三唑、哌嗪、哌啶等，Linker的设计与选择对于PROTAC分子的成药性非常重要，以ARV-771为例，其采用醇类作为Linker时对BRD4蛋白展现出较好的降解能力，但当把Linker换成长度相当的含有芳香环的结构时，尽管靶蛋白和E3连接酶配体没有改变，但其不再对BRD4展现出降解能力。

当前研究的PROTAC分子集中于靶向BET、AR、BTK等成熟靶点，仍有大量病理机制明确的蛋白未被探索，泛素-蛋白酶体降解途径发生于细胞内，膜表面蛋白（约占编码蛋白的20%）的胞内结构域很难找到合适的口袋供小分子配体结合，PROTAC分子在膜蛋白降解领域尚未取得技术突破，亚细胞结构内的靶点例如核内蛋白、细胞器蛋白等也是PROTAC技术的潜力发挥作用的领域。许多中枢神经系统（CNS）靶点被认为是"Undruggable"，且血脑屏障的存在使治疗药物难以达到病灶，阿尔兹海默症等神经退行性疾病以及中枢神经系统慢性炎症尚无有效治疗药物，存在大量未满足临床需求、蛋白降解剂有望通过降解中枢神经系统的致病蛋白如Tau/Alpha-synuclein/Huntingtin等带来差异化的治疗效果，有潜力克服现有疗法的局限性。包括小核酸药物、抗体等。

高通量评价PROTAC活性手段有限

由于PROTAC分子在体内能以亚化学剂量发挥催化循环作用，因此传统的药化动力学（PK）、药效动力学（PD）方法不能很好的评估PROTAC的PK和PD性质，针对PROTAC分子目前尚于成熟的PK/PD评价体系，量效关系、时效关系的规律尚未完全掌握，蛋白降解所致的毒 性尚未透彻了解，在验证靶标蛋白是否被成功降解上，传统方法如免疫印迹、ELISA以及质谱存在耗时、价格昂贵、通量低的缺点，荧光信号是具有潜力的可行替代方法。高通量评价PROTAC活性的检测方法亟待开发。

分子胶（Molecular Glue Degraders）

分子胶降解剂（Molecular Glue Degraders,MGDs）是另一类可以诱导泛素E3连接酶复合体/底物受体与靶蛋白相互作用的小分子。MGD可以拉近致病蛋白与E3连接酶的空间距离，增强原本具有的PPI或促进形成新的PPI。从而使得被泛素化的致病蛋白被蛋白酶所降解，免疫调节剂（IMiDs）沙利度胺、来那度胺、泊马度胺等是典型的分子胶，其发挥治疗肿瘤作用机制之一就是通过分子胶水的作用介导IKZF1/3(淋巴细胞增殖关键国转录因子)降解。

PROTAC与MGD均通过泛素-蛋白酶体途径介导靶蛋白降解，但二者分子设计及作用机制存在显著不同。PROTAC分子是由靶蛋白配体、Linker、E3连接酶弹头共价结合形成的异双功能三无复合物，其分子量较大，打破了药物设计的5类原则。MGD是单价小分子，分子量较小，符合5类原则。PROTAC分子直接与靶蛋白结合因此需要结合口袋，MGD通过与E3连接酶结合形成的位点与靶蛋白相互作用，自身无需具备直接与靶蛋白结合的口袋。相较于PROTAC分子，MGD具有较高的细胞通透性和更好的口服吸收。目前较为成熟的蛋白降解技术，PROTAC与分子胶均依赖于蛋白酶体系统，而基于自噬/内体-溶酶体系统（机体另一重要的蛋白降解系统）去开发新型蛋白降解剂同样成为研究热点。基于溶酶体的蛋白降解技术主要包括，溶酶体靶向嵌合体（LYTAC）、自噬体靶向嵌合（AUTAC）、自噬小体偶联技术（ATTEC）等，该类技术有望与现在蛋白降解剂形成互补，拓展可降解靶点范围。