PROTACs：学术界和产业界的巨大机遇
作者： BiG生物创新社
| 发布于: | 雪球 | 转发：0 | 回复：0 | 喜欢：3 |
前言
目前临床上使用的大多数药物其治疗方法都是基于小分子的，并利用“占据驱动”作用模式抑制蛋白的功能，发挥治疗疾的作用。不同于传统的小分子抑制剂和拮抗剂，蛋白降解技术由于其能够诱导治病靶蛋白的降解，近年来迅速发展，为新药研发提供了一种新的思路，并不断成为新药研发中的一大利器。PROTACs（ Proteolysis-Targeting Chimeras，即蛋白降解靶向嵌合体）的概念最早在2001年由Crews等人提出，能够利用机体内天然存在的蛋白清理系统，降低蛋白水平而非抑制蛋白的功能，发挥治疗疾病的目的。PROTAC是一种异双功能分子，其结构看起来像哑铃一样，分子的一端连接结合靶蛋白的配体，一端连接E3泛素连接酶，中间通过合适的Linker相连。PROTAC 降解靶蛋白是通过泛素蛋白酶体系统（UPS）实现的：PROTAC 分子结合靶蛋白（POI）和 E3 连接酶，形成三元复合物，给靶蛋白打上泛素化标签，泛素化的蛋白被细胞内的蛋白酶体26S 识别并降解。
撰稿人 | Summer
图1. PROTAC介导蛋白降解的机制
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
2022年6月9日，清华大学饶燏教授团队在Nature旗下Signal Transduction and Targeted Therapy 杂志上了发表了题为“PROTACs: great opportunities for academia and industry”的综述文章，详细介绍了近两年 PROTAC 技术的研究进展，总结了PROTACs靶向癌症、病毒感染、免疫疾病、神经退行性疾病相关的代表性新靶点。
PROTAC新靶点研究进展
近20年来，特别是自2015年以泊马度胺（pomalidomide）为 E3 连接酶配体的 dBET1 PROTAC 成功降解 BET 蛋白以来，PROTAC 领域迎来了快速发展期。近两年，PROTAC 相关研究论文得到了爆发式增长。2019年饶燏团队曾总结过当时已报道的40多个可被 PROTAC 降解的蛋白质靶标，截至2021年12月，可被 PROTAC 降解的蛋白质靶标增加至130多个，也就是2020年和2021年这两年新增的可被 PROTAC 降解的蛋白质靶标增加了约90个，涵盖癌症、免疫紊乱、病毒感染、神经退行性疾病等多个疾病领域，其中又以癌症领域的应用为主。
图2. 近两年PROTAC相关研究迅猛发展
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
据不完全统计，基于 PROTAC 技术的不同降解剂可降解约54种激酶（kinases），占总靶标的45%。研究人员更倾向于选择激酶作为蛋白质降解的靶点，主要原因是大多数激酶具有已知且有效的抑制剂或配体，可以很容易地对其进行修饰以连接Linkers 并保持足够的结合亲和力。此外，激酶具有深结合口袋，可促进PROTAC 的结合，从而诱导激酶与E3 连接酶相互作用，进而泛素化并最终降解激酶。而且，虽然激酶蛋白具有高度同源性，但PROTAC 可以选择性地降解不同亚型的激酶。
迄今为止，已发现的激酶有518种，它们参与了细胞的存活、增殖、分化、凋亡、代谢等多种生理调节过程。如下图所示，这些激酶根据其结构和功能可分为九类，即酪氨酸激酶（RTKs）、TKL激酶（TKLs）、STE激酶（STEs）、CAMK激酶（CAMKs）、AGC激酶（AGCs）、CMGC激酶（CMGCs）、非典型蛋白激酶（Atypical）、CK1激酶（CK1）和其他（Others）。其中红色标记的为已有 PROTAC 降解剂的人类可降解激酶，酪氨酸激酶（RTKs）和 CMGC激酶（CMGCs）已被开发出 PROTAC 降解剂的最多，分别有19个和14个，占据总数的一半以上。而 CK1激酶（CK1）和 CAMK激酶（CAMKs）还没有开发出一个 PROTAC 降解剂。
图3. 基于PROTAC技术可降解的人类激酶及其分类
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
PROTACs新技术
由于PROTAC是在POI抑制剂的基础上开发的，仍然具有一定程度的脱靶效应。其次，由于PROTAC分子量较大，其细胞膜通透性较差，药代动力学(PK)性能较差，大大降低了其生物学和治疗作用。此外，虽然一些PROTACs可以有效诱导靶蛋白的降解，但其生物学效应很弱，对疾病没有有效的影响。最后，大多数蛋白质并没有相应的小分子结合物来设计PROTACs，比如在疾病发生发展中起重要作用的转录因子。由于转录因子的抑制剂很少，因此在设计靶向转录因子的PROTACs时没有粘合剂可用。这极大地限制了PROTAC技术的应用。为了解决上述问题，近年来出现了不同类型的PROTAC技术，例如Antibody-PROTAC， Aptamer-PROTAC conjugates，Dual-target PROTACS，Folate-caged PROTACs及TF-PROTACs等。
Antibody-PROTAC
抗体-PROTAC是一种探索与抗体结合组装新的抗体-PROTAC偶联物的新策略。该技术可以实现不同细胞和组织中蛋白质的特异性降解，从而优化治疗窗口，使治疗窗口最大化，减少广谱PROTAC的副作用，增加其作为药物或化学工具的潜力。
Aptamer-PROTAC conjugates
核酸适体(Aptamer)是具有复杂三维结构的单链核酸，主要包括茎、环、发夹和G4聚合物。它们通过氢键、范德华力、碱基叠加力、静电效应等特殊作用与目标蛋白结合，具有高特异性和亲和力，可以提高传统PROTACs的水溶性、膜通透性和肿瘤靶向性。
Dual-target PROTACS
在癌症的发生发展过程中，通常有多种因素共同作用，包括不同种类的激酶和生长因子，它们可以独立作用，也可以通过信号网络相互干扰。该方法主要是设计一个结合两个或两个以上药效团的单一分子，同时靶向两个或两个以上的抗肿瘤靶点。
Folate-caged PROTACs
叶酸受体α (FOLR1)在正常组织中含量较低，但在许多人类癌症中却高表达。叶酸笼状PROTACs是另一种提高PROTACs靶向特异性的技术，其基本原理是将叶酸基团引入PROTAC分子中，在目标细胞和组织中实现释放。在该技术中，叶酸通过细胞内源性水解酶的作用释放出活性的PROTAC，然后降解物诱导目标蛋白降解。
TF-PROTACs
转录因子(Transcription factors, TFs)是一类与基因表达和调控有关的蛋白质，也是肿瘤治疗的潜在靶点。转录因子与传统的激酶不同，它们不具有激酶或其他酶中常见的活性袋或变构调控位点，因此很难被小分子抑制剂靶向。由于TFs可以结合到特定的DNA序列，调控转录过程，理论上可以用不同的DNA序列代替小分子抑制剂靶向TFs。因此TF- PROTAC将中靶向蛋白的小分子配体替换为相应的DNA序列，使其形成TF-PROTAC，靶向特异性TF，诱导其降解，从而调节特异性TF水平和生物功能。
PROTAC临床试验研究
除了作为研究工具，PROTACs在疾病治疗方面也有很大的应用潜力。它已经成为一种新的药物发现模式，有可能改变传统的药物发现，可能成为一种新的重磅疗法。截至2022年3月，如下表所示全球约有十余种PROTAC药物进入临床开发阶段。其中，Arvinas的ARV-110和ARV-471已进入临床II期，是PROTAC药物中临床进展最快的。一些研发初创企业已经获得了罗氏、赛诺菲、 默克、 辉瑞、 吉利德等全球大型制药公司的关注。此外，中国企业也积极参与开发，包括 百济神州、金拓、海斯科、诺成建华、升盛、 恒瑞等。
表1. 全球临床和IND阶段基于PROTAC技术的蛋白降解药物候选总结
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
总结及展望
相比于其他药物和疗法，PROTAC 有许多潜在的优势，如组织分布广泛，可以口服给药等。相比于其他疗法（如细胞治疗、抗体药物等），PROTAC 生产流程更简单；相比小分子药物，PROTAC 可以靶向其更多小分子药物无法靶向的靶点，产生更好的效果。因此，PROTAC技术受到了工业界的高度关注，并已开始应用于癌症、免疫紊乱、病毒感染、神经退行性疾病等的药物研发，其中又以癌症领域的应用为主。Craig Crews 创立的Arivinas公司最早开展PROTAC 技术的药物开发，近两年，Arivinas公司开发的针对雄激素受体（AR）的 PROTAC 降解剂 ARV-110 和雌激素受体（ER）PROTAC 降解剂 ARV-471，分别在前列腺癌和乳腺癌中得到了临床验证，这也是PROTAC技术转化应用的里程碑。
尽管PROTAC 在过去的20年里得到了快速发展，但仍有许多挑战需要解决。这些挑战主要来自两个方面，即PROTAC 分子设计和成药性的优化，以及生物活性的综合评价。首先是关于PROTAC 的分子设计和成药性，涉及靶蛋白配体、新的E3 连接酶配体和新的Linker。其次是生物活性评价，涉及PROTAC 分子的筛选、成药性评估和药理学评估。这些问题目前都没有现成的答案，但相信随着更多的生物学、药理学和临床研究的开展，将逐步建立新的评价方法和体系来解决这些问题。相信未来会有越来越多的PROTAC 将进入临床前和临床研究，这将进一步检验PROTAC 的治疗效果。预计未来PROTAC 技术将为人类疾病治疗和生命健康带来益处。
参考文献
He M, Cao C, Ni Z, Liu Y, Song P, Hao S, He Y, Sun X, Rao Y. 2022. PROTACs: great opportunities for academia and industry (an update from 2020 to 2021)[J]. Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.
原文链接： 网页链接
* 推文用于传递知识，如有版权等疑问，请于本文刊发30日内联系BiG生物创新社。