靶向蛋白质降解综述：分子结构、机制与临床现状

尽管人类在药物开发领域已经做出了长足的进步，但一场Covid-19却将人类对抗疾病的差距暴露无疑。在目前FDA批准的疗法中，仅针对了人类疾病相关的4500多个已知基因中的大约750种蛋白。更多的蛋白受体因为没有良好的药物配体，成为了那些选择有限或者治疗效果不佳的疾病的保护伞。为了摆脱这种桎梏，新型的疗法不断被研发出来，其中最 具希望的领域之一，在于靶向蛋白质降解（TPD, targeted protetin degradation）技术的开发。

靶向蛋白质降解剂

(资料图片)

TPD是一个很广阔的范畴，包括众多蛋白质定向降解机制，例如著名的分子胶（Molecular Glue）和蛋白水解靶向嵌合体 (PROTACs)。这篇文章专注于后者的介绍。

PROTACs药物是一类异双功能药物，一般由三个组分构成：目标蛋白（POI, Protein of Interest）的靶标结合域（TBM, target binding moiety）、泛素E3连接酶结合域（EBM, ubiquitin E3 ligase binding moiety）、以及连接这两部分的接头（图 1）。在本文中，所称的“降解剂degrader”指的就是由这三个部分组成的整体分子结构。

图1. 靶向蛋白降解剂（TPD）的典型药物发现范例: 第 1 阶段包括识别选择性靶标结合域 (TBM)；第 2 阶段涉及优化 TBM 链接向量；在第 3 阶段，评估 E3 连接酶结合域 (EBM)；在第 4 阶段优化接头。根据每个阶段的结果，可以进行迭代过程以重新优化早期的设计元素。

PROTACs介导的蛋白质降解途径

UPS（泛素-蛋白酶体系统）

蛋白质稳态（homeostasis，亦称proteostasis），是指细胞用来维持蛋白质浓度、构象和亚细胞定位的高度复杂且相互关联的过程。它包含大量控制蛋白质合成、折叠、蛋白质转运和处置的途径。在真核细胞中，受损的蛋白质可被蛋白酶体 (proteasomes) 或溶酶体 (lysosomes) 清除。这两条途径相互独立但又相互关联。

通常来说，蛋白酶体通过泛素-蛋白酶体系统 (UPS, ubiquitin–proteasome system) 消除短寿命蛋白质和可溶性错误折叠蛋白质。相比之下，溶酶体负责通过内吞作用、吞噬作用或自噬途径降解长寿命蛋白质、不溶性蛋白质聚集体，甚至整个细胞器、大分子化合物和细菌。

蛋白酶体是UPS（泛素-蛋白酶体系统）的一部分，负责降解受损、展开和无用的蛋白质。除了蛋白酶体，UPS 还包含各种泛素连接酶（ubiquitin ligases）和去泛素化酶 (DUB，de-ubiquitinating enzymes)。

拥有76 个残基的泛素是通过三种酶的连续介导过程与目标蛋白质结合的：

Ub 激活酶 (E1)、Ub 结合酶 (E2) 和 Ub 连接酶 (E3)。E1 以 ATP 依赖性方式与泛素分子结合，然后通过与 E2 的相互作用将泛素转移至 E2。接下来，E3 催化泛素分子从 E2 转移到受体蛋白底物。这三种酶的重复协同作用导致底物的多聚泛素化（polyubiquitination）。

多聚泛素化过程如下：第一个泛素分子通过其 C 端羧基共价结合到靶蛋白的特定赖氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、苏氨酸或 N 端。当第二个泛素的 C 末端连接到第一个已偶合的泛素分子上的七个赖氨酸残基之一或其N端甲硫氨酸时，就会发生多聚泛素化，从而形成一条链。这个过程重复几次，导致添加几个泛素。只有泛素分子上特定赖氨酸介导的多泛素化，主要是 K48 和 K29，才与蛋白酶体的降解有关（称为“死亡分子之吻”），而其他多泛素化（例如 K63、K11、K6 和 M1）和单泛素化可能调节内吞运输、炎症、翻译和 DNA 修复等过程。被泛素标记的受体蛋白之后受到26S蛋白酶体的作用而被降解（图2）。

图2. 通过泛素-蛋白酶体系统 (UPS) 降解蛋白质的过程示意图。泛素化需要三类酶的顺序作用：激活酶 (E1)、结合酶 (E2) 和连接酶 (E3)。在ATP依赖的第一步中，E1 结合并激活泛素。然后泛素被转移到 E2上，形成 E2-泛素中间体。E3连接酶结合中间蛋白和底物蛋白，催化泛素和底物蛋白之间形成异肽键，以完成底物蛋白的泛素化和多聚泛素化。去泛素化酶 (DUB) 是负责去泛素化的蛋白酶。从蛋白质中切割泛素可以防止蛋白质降解。（图片来源：ubiquigent.com）

靶向蛋白质降解优势

相对于传统小分子疗法相比，TPD 具有多种优势：

首先，由于 TPD的TBM (靶标结合域) 并不需要肩负抑制 POI (目标蛋白) 功能的责任，因此该策略可以适用于更多的 POI，包括许多传统意义上的不可成药受体。

其次，与小分子抑制剂相比，TPD策略中的降解剂 (degrader) 具有更高的选择性，因为整个策略的成功，需要经历三元复合物（指的是“POI―TPD药物―泛素E3连接酶”）的形成、泛素化和降解步骤，只有很高的选择性才能保证这三个步骤的实现。

第三，鉴于降解过程彻底消除了 POI 的所有功能，与仅抑制单一 POI 功能的小分子疗法相比，降解剂可以提供差异化的药理学，这是一个不可逆的过程。

最后，因为每个降解剂都可以降解多个副本的 POI （即一个TPD药物可以降解多个目标蛋白），所以可以在低于化学计量（sub-stoichiometic）的条件下起效。这为降解剂的高效力和低剂量奠定了基础。

临床TPD降解剂化学结构

尽管存在超出利平斯基5规则（Ro5）的情况，但批准用于临床研究的 20 种临床降解剂中仍然有 14 种用于口服给药。Arvinas 的两种口服降解剂 bavdegalutamide (ARV-110) 和 ARV-471，以及 C4 Therapeutics 的口服临床降解剂 CFT8634，由于其靶标结合域（TBM） 尺寸小，cereblon 泛素E3结合域和短而紧凑的接头而具有相对较低的分子量（表 1）。相比之下，Dialectic Therapeutics 的可注射降解剂 DT-2216 的化学结构中，由于结合了较大的 VHL 泛素E3结合域和衍生自小分子抑制剂 navitoclax（分子量975 Da.）的非常大的靶标结合域，因此相对于已知结构的口服TPD降解剂，DT-2216 具有明显更高的分子量、更多的氢键供体和更多的可旋转键。 这四个候选物所代表的物理化学特性阈值，勾画出了降解剂模态的当前设计空间。一般来说，相对于类似DT-2216 特性的降解剂，ARV-110、ARV-471 和 CFT8634 的类似物可能具有更大的口服给药潜力。

表1. 临床TPD降解剂化学结构（化学结构中，目标蛋白的靶标结合域以蓝色显示，接头以黑色显示，E3 连接酶结合域 以红色显示）。

TPD临床情况

为了验证降解剂模态的有效性，临床开发计划已经针对性地展开。在美国注册的临床试验中的20 种降解剂中，已有 13 款针对四种目标蛋白【雄激素受体 (AR, androgen receptor)、BRAF-V600X、布鲁顿酪氨酸激酶 (BTK, Bruton’s tyrosine kinase) 和雌激素受体 (ER, oestrogen receptor)】 ，而这四种目标蛋白之前已经拥有了针对它们的获批药物。其余7种降解剂靶向目标蛋白尚未有获批的治疗剂上市，针对这些目标蛋白的小分子正在临床试验中，但尚未获得批准。这些目标蛋白包括白细胞介素 1 受体相关激酶 4 (IRAK4)、溴结构域蛋白 4 (BRD4)、溴结构域蛋白 9 (BRD9)、信号转导和转录激活因子 3 (STAT3)。TPD临床状况见表2。

表2. 临床阶段的TPD降解剂

总 结

靶向蛋白质降解 (TPD) 是一种新兴的治疗方式，具有解决致病蛋白质的潜力，这些蛋白质在历史上一直很难用传统的小分子靶向。自从利用UPS（泛素-蛋白酶体系统）降解靶向蛋白的PROTAC概念被报道以来的 20 年里，TPD 已经从学术界转向工业界，许多开发商展示了他们临床前和早期临床项目发展。该领域已准备好了针对以前被认为“不可成药”的受体蛋白。靶向蛋白质降解可能成为一种关键的治疗方式。交叉领域的协同进步，在未来将进一步推进靶向蛋白质降解技术的发展和应用，这种新型疗法方式很有可能为患者提供针对不同适应症的新治疗选择。

参考资料：

[1] Hopkins, A. L. et al. The druggable genome. Nat. Rev. Drug Discov. 2002, 1, 727–730.

[2] Churcher, I. Protac-induced protein degradation in drug discovery: breaking the rules or just making new ones? J. Med. Chem. 2018, 61, 444–452.

[3] Anfinsen, C. B. Principles that govern the folding of protein chains. Science. 1973, 181, 223–230.

[4] Hanley, S. E. et al. Sorting nexins in protein homeostasis. Cells. 2020, 10, 17.

[5] Khan, S. et al. A selective BCL-XL PROTAC degrader achieves safe and potent antitumor activity. Nat. Med. 2019, 25, 1938–1947.

[6] Laramy, M. N. O. et al. Delivering on the promise of protein degraders. Nat Rev Drug Discov (2023). https://doi.org/10.1038/s41573-023-00652-2.

[General] Laramy, M. N. O. et al. Delivering on the promise of protein degraders. Nat Rev Drug Discov (2023)