一文读懂：卵白降解靶向嵌合体 (PROTAC）

2024-11-29

会见量：

前言

古板小分子药物的发明主要集中在直接影响卵白功效的团结位点或者变构位点上，然而，这种要领通常无法靶向那些缺乏活性位点的卵白，或活性位点是宽而浅的团结口袋而难以被小分子团结。因此，这类难以被古板小分子靶向的卵白通常被称为“不可成药”靶点。人类卵白质组包括约莫20000种卵白，但只有不到 1000种卵白被验证为药物靶点，据预计，由于缺乏明确的配体团结口袋，约80%的疾病相关卵白无法通过古板药物举行有用干预。

卵白降解靶向嵌合体 (Proteolysis Targeting Chimera, PROTAC)，是一种新兴的治疗方法，它使用细胞的自然卵白质降解机制，即泛素-卵白酶系一切 (UPS) ，选择性地靶向降解疾病发病机制中的相关卵白，从而可能调理古板小分子难以靶向的“不可成药”靶点。因此，PROTAC分子的看法自2001年首次报道以来，受到了学术界和工业界的普遍关注，经由PROTAC设计的多次立异和临床前模子的严酷评估，首批PROTAC分子ARV-110、ARV-471于2019年进入临床研究。现在，全球共有近40个PROTAC分子已批准临床试验，涉及肿瘤和自身免疫疾病等顺应症。其中，最前沿的PROTAC分子ARV-471于2022年底启动了临床III期试验。

PROTAC的作用机制与优势

PROTAC是由两个通过毗连子 (Linker) 毗连的配体组成的异双功效小分子降解剂：一个配体招募并团结目的卵白 (POI) ，而另一个配体招募并团结E3泛素毗连酶。PROTAC同时团结POI和毗连酶，通过形成E3-降解剂-POI三元复合物诱导POI的多泛素化，并随后被26S卵白酶体降解，之后PROTAC分子将被接纳使用，以靶向POI的另一个副本。

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泛素-卵白酶系一切^[1]

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PROTAC介导的目的卵白降解机制^[1]

与古板的小分子药物相比，PROTAC有几个潜在的优势，包括：

1) 古板小分子药物的研究通常集中在开发高亲和力抑制剂上，这些抑制剂通常靶向卵白的活性位点，或者靶向卵白的变构位点，以关闭POI的功效（“占位驱动”药理学）。然而，在许多情形下，小分子抑制剂需要和POI的自然底物竞争性团结，难以抵达和维持有用抑制POI所必需的高局部药物浓度。PROTAC的作用机制不是影响卵白的功效，而是介导靶卵白的降解（“事务驱动”药理学），不需要强作用于活性位点，只需要介导POI与E3泛素毗连酶的短暂相互作用，诱导E3-降解剂-POI三元复合物的形成，从而靶向一些古板上以为的“不可成药”靶点。

2) 古板小分子抑制剂必需坚持其局部的高浓度才华施展治疗作用，而恒久、高剂量的药物袒露可能增添某些不良反应的危害，并引起累积毒性。而PROTAC“事务驱动”的作用模式，其循环催化能力使其能够催化多个POI的降解，因此能够在亚化学计量浓度下抵达POI降解的目的，只需要较量低的剂量就能抵达和坚持其药效。别的，由于PROTAC催化并且不可逆地降解致癌卵白，PROTAC具有更长期的治疗效果。

3) 一连使用小分子抑制剂治疗也可能诱导靶卵白的突变及耐药性。由于短暂的靶卵白接触足以使POI降解，PROTAC很可能不太容易受到warhead团结亲和力降低的突变的影响，因此，PROTAC有可能战胜此类小分子药物耐药性的问题。

2 PROTAC的生长历程

自PROTAC看法于2001年由Sakamoto等人首次揭晓以来，已经取得了许多主要生长。对肽衍生的PROTAC降解剂、以及免疫调理亚胺药物（IMiD）作为分子胶将底物毗连到E3毗连酶的发明，为高效的小分子PROTAC的发明和开发涤讪了基础。

在已往的几年里，卵白降解领域履历了爆炸式的增添，合理设计的靶向卵白降解剂作为潜在治疗药物的时代始于2019年，两种PROTACs进入首次人体试验：ARV-110 （NCT03888612）和ARV-471（NCT04072952），划分靶向雄激素受体（AR）和雌激素受体（ER）。现在，是靶向卵白降解的初始转化阶段，在这个阶段，设计用于降解致病卵白的多种分子正在进入临床，有望能够为患者提供临床益处。

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PROTAC生长的要害希望时间表^[2]

3 PROTAC的临床研究希望

自2019年两种小分子PROTAC降解剂进入临床试验后，许多其他小分子PROTAC也陆续进入临床研究，主要用于肿瘤的治疗研究，别的还涉及免疫炎症性疾病、神经退行性疾病等顺应症。阻止现在，海内外共有近40个PROTACs已进入了临床研究阶段，研究较多的靶点包括AR、ER、BTK、EGFR、IRAK4等。然而，只管有很好的临床前研究效果，很大一部分PROTAC在推进人体临床试验历程中也遇到了挑战，现在还没有PROTAC获批上市。

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全球PROTAC管线临床研发希望

4 PROTAC的设计

PROTAC的基本化学组成包括：团结并招募E3毗连酶的E3配体、团结POI的配体和毗连E3和POI配体的Linker。

PROTAC的设计，主要从如下几个方面思量：

(1) 靶点选择

凭证PROTAC奇异的、“事务驱动”的作用机制，靶点的选择通�？梢圆慰既缦�6项原则：

1) 经典的“不可成药”靶点。古板上“不可成药”靶点，如KRAS、信号传导及转录激活卵白3 (STAT3) 等，已有报道乐成地使用卵白降解剂举行了降解。

2) 耐药突变靶点。肿瘤靶向治疗的耐药性通常是由于突变导致的，这些突变或者损害了古板小分子抑制剂与靶卵白的团结和/或导致靶卵白的太过表达（原则3），以至于药物不可再获得足够的疗效。PROTAC可以乐成地靶向这类靶卵白，如BTK的C481S突变，BTK中的C481S突变阻止了临床上BTK抑制剂的共价团结活性，但这些抑制剂的弱非共价团结亲和力足以衍生为活性PROTAC。

3) 基因扩增和/或卵白过表达。如转移性去势对抗性前线腺癌 (mCRPC) 对雄激素受体 (AR) 的一连依赖，由抗雄激素治疗的突变和过表达驱动，再加上该靶点已知的临床有用性，因此，临床研究中的PROTAC许多选择AR作为靶点。

4) 具有差别异构体表达或定位的靶点。由于卵白家族中异构体团结位点的高度同源性，用小分子抑制剂实现异构体选择性具有一定的挑战性，而研究发明纵然选择非选择性靶卵白团结配体设计的PROTAC，也可能体现出异构体的特异性降解，例如从双重CDK4/6抑制剂中开发出选择性CDK4或CDK6降解剂。

5) 脚手架卵白。脚手架卵白通过招募其他卵白形成复合物而转导信号，而不是通过自身的催化活性来施展其功效，因此很难用古板的小分子直接靶向。然而，这类卵白可以用卵白降解剂靶向。

6) 卵白群集。卵白质群集与神经退行性疾病有关，包括阿尔茨海默病和帕金森病，卵白降解要领也正在这一领域举行探索。

(2) E3毗连酶的选择

为了设计有用的PROTAC，要害是要选择对E3毗连酶具有足够团结亲和力的E3配体，并且在不影响其泛素化活性的情形下招募功效活跃的E3毗连酶，然而这种E3配体的可用性是有限的。在人类基因组中编码了600多种E3毗连酶，迄今为止只有约莫10种E3毗连酶被乐成用于靶向卵白降解。

现在，靶向卵白降解剂普遍使用的两种E3毗连酶是 von Hippel-Lindau (VHL) 和cereblon (CRBN) ，主要缘故原由包括：首先，VHL和CRBN可以使用现有的、容易获得的小分子团结配体，且具有适合Linker毗连的结构位点；其次，VHL和CRBN可以无邪稳固地降解种种靶卵白；第三，VHL和CRBN的表达相对普遍，能够实现高水平的系统性卵白降解。

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常用的基于沙利度胺的CRBN配体和可能的Linker毗连方法^[3]

常用的VHL配体和可能的Linker毗连方法.webp

常用的VHL配体和可能的Linker毗连方法 ^[3]

除了CRBN和VHL之外，其他常见的E3配体还包括IAP及MDM2，E3毗连酶的新配体的发明和开发也正在举行中，如RNF4、RNF114、DCAF16、KEAP1、DCAF11和FEM1B等。由于不加区分的系统性靶卵白降解可能导致不可接受的毒性和相对狭窄的治疗指数，组织特异性或肿瘤特异性E3毗连酶的配体开发受到越来越多的关注。通过靶向肿瘤特异性E3毗连酶，特异性地降解肿瘤组织中相关卵白，原则上可以提高PROTAC的耐受性。

(3) POI配体设计

POI配体的选择关于PROTAC的乐成设计也是至关主要的。通常，选择POI配体的溶剂袒露区域作为Linker毗连位点，以只管镌汰Linker和E3配体对PROTAC-POI团结的滋扰。

PROTAC的设计可使用已报道的靶卵白团结配体，这些配体最初被设计为靶卵白抑制剂。随着对新的靶卵白降解的探索，特殊是古板的“不可成药”靶点，识别新的靶点-卵白团结配体的需求增添。DNA编码库 (DEL) 手艺是一种可用的卵白降解剂的配体判断和开发的要领，DEL手艺筛选的原理中，配体团结位点和卵白功效活性无关，且在没有更多的结构支持的情形下，能够提供一种潜在的Linker毗连位点（即DNA条码标记位点）。DEL手艺在发明新的分子胶降解剂、E3毗连酶配体等方面也有潜在的用途。

(4) Linker设计

靶卵白与E3毗连酶配体之间使用的Linker类型和长度是至关主要的，通常使用差别长度的烷基或聚乙二醇 (PEG) Linker，以确定靶卵白和E3毗连酶之间的最佳距离。由于卵白之间的空间位阻，Linker太短会阻止高效三元复合物的形成；太长的Linker可能会使三元复合物失去卵白降解活性。在某些情形下，Linker在三元复合物中不但起到毗连作用，还可以与卵白外貌形成接触。

一些研究已经证实，Linker的构象约束可以通过降低自由度或锁定生物活性构象来进一步提高活性。构象限制性Linker已被开发用于系列SMARCA2/4降解剂、AR降解剂、及ER降解剂ARV-471等。别的，还可通过Linker的结构设计，来调理PROTAC的药代动力学性子。

5 PROTAC药物开发的难点与挑战

虽然PROTAC具有厘革药物发明领域的潜力，然而，由于其结构特征的固有缺陷，对PROTAC的临床转化组成了重大挑战，限制了其临床应用：

1) 由于E3泛素毗连酶在正常组织和疾病部位的非选择性表达，导致PROTAC的脱靶活性，从而可能引起副作用的爆发。

2) PROTAC分子量（>800 Da）相比于古板小分子药物要更大，通常水溶性较差，往往导致较低的生物使用度。

3) PROTAC的高极性外貌限制了分子的渗透性，极大地阻碍了PROTAC分子透详尽胞膜和心理屏障。

4) 细胞内较高浓度的PROTAC倾向于形成POI-降解剂的二元复合物，而不是形成三元复合物，爆发Hook效应，从而降低靶卵白的降解活性，并阻碍了其体内剂量的合理设计。

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PROTAC的主要局限性 ^[4]

6 新一代PROTAC

虽然通过结构修饰有望战胜PROTAC的某些限制，但同时优化其理化性子以能够有用地在体内应用，这是一个重大的挑战。新一代PROTAC的设计可能解决这些难题，而不是仅仅依赖于太过的化学优化。这类新一代PROTAC在特定组织受到外源性或内源性刺激后，恢复POI降解的功效，而在其他组织坚持无活性状态，从而有望实现高度靶向治疗，镌汰副作用。

例如：
(1) 点击释放性PROTAC (Click-release PROTAC)
(2) 酶响应性PROTAC (Enzyme-responsive PROTAC)
(3) 谷胱甘肽响应性PROTAC (GSH-responsive PROTAC)
(4) 低氧响应性PROTAC (Hypoxia-responsive PROTAC)
(5) 光激活性PROTAC (Photo-activatable PROTAC)
(6) 辐射响应性PROTAC (Radiation-responsive PROTAC)
(7) 活性氧响应性PROTAC (ROS-responsive PROTAC) 等

? 点击释放性PROTAC的开发，有望战胜古板PROTAC分子量较大的限制，然而，由于每个前体分子体现出差别的PK性子，需要思量这些前体的体外反应活性和合适的分子比例。

? 光激活性PROTAC的一个主要限制因素是紫外光缺乏足够的组织穿透能力，这阻碍了这些光激活PROTAC前药的开发和应用。为相识决这个问题，科研职员探索开发了一种在实体肿瘤中激活PROTAC前药的替换战略，使用内源性特征，如缺氧、GSH和ROS等水平升高来激活PROTAC，以实现精准的卵白降解。

虽然这些要领具有较大开发潜力，但在PROTAC前药设计中需要设计特另外响应部分，不可阻止地导致PROTAC分子量的增添，这可能会给它们的成药性带来新的挑战。

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新一代PROTAC设计中使用的战略^[4]

配体修饰

新一代PROTAC还可通过配体修饰，从而选择性靶向特定细胞，如叶酸 (Folate-targeting PROTAC) 、抗体 (Antibody-PROTAC conjugate) 和适配体 (Aptamer-PROTAC conjugate) 等。

由于这类配体修饰的PROTAC，能够选择性地团结癌细胞外貌表达的特定受体或生物分子，有用地将降解剂特异性地运送到肿瘤组织，最大限度地镌汰对康健组织的袒露，因此已成为肿瘤细胞靶向卵白降解的潜在治疗药物。

然而，设计有用的配体修饰PROTAC前药需要仔细思量几个因素：
? 选择合适的配体，对其靶受体体现出高亲和力和选择性，是实现最佳治疗效果的要害；
? 确保循环稳固性，避免在抵达病变组织之前过早降解或损失活性；
? 合理的配体设计，增进有用释放活性PROTAC内化到癌细胞。
总之，需要仔细控制释放的时间和水平，以最大限度地提高治疗效果，同时只管镌汰潜在的不良反应。

纳米颗粒递送系统

别的，纳米颗粒递送系统也可能成为一种有用的替换战略，如调理PROTAC的水溶性、细胞渗透性和改善体内药代动力学性子，以及增强PROTAC在病变组织中的积累，减轻卵白质降解剂的组织外靶向副作用，以抵达更好的治疗效果。用于药物递送的纳米颗粒大致可分为有机纳米颗粒和无机纳米颗粒，有机纳米颗粒进一步分为聚合物纳米颗粒和脂质纳米颗粒。

只管具有很大的潜力，PROTAC纳米颗粒递送系统仍然面临着一些限制其普遍应用的挑战：

? 确保药物递送系统中使用的载体质料的生物相容性，应仔细评估和选择在体内使用清静且不会引起不良反应或毒性的质料, 在优化效果的同时确保其副作用在可接受的规模内；

? 另一个主要的思量因素是质量控制的可靠性，由于这些递送系统涉及重大的配方和工艺，因此在整个生产历程中建设健全的质量控制步伐至关主要；

? 特另外载体质料和药用辅料可能会增添PROTAC的生产本钱，应评估生产工艺的放大可行性和本钱效益，以确保有用的大规模生产而不影响产品质量。

总结与展望

PROTAC降解剂的开发在已往的几年中获得了迅速生长，包括从药物化学设计和结构优化，光临床前实验的活性评估，再光临床研究的验证。临床前数据的报道，有力地证实晰PROTAC对其靶点的特异性，以及抑制肿瘤生长的活性。别的，临床前数据批注，卵白降解剂对小分子抑制剂治疗后爆发的耐药性突变具有活性。只管还缺乏足够临床数据，但PROTAC已显示出对晚期前线腺癌、乳腺癌或慢性淋巴细胞白血�。–LL）患者的疗效，包括划分具有AR、ER和BTK耐药突变的患者。PROTAC分子的疗效和清静性，在更大的患者群体中举行探索是很是有须要且有益的。

由于PROTAC研究较多及前沿的靶点，包括靶向AR、ER或BTK的ARV-110、ARV-471和NX-2127等，这些靶点此前已在疾病的发病机制中验证了其作用，下一步的要害是要确定PROTAC手艺是否能够真正实现经典的“不可成药”靶点的降解。好比，现在在临床I期研究中的STAT3降解剂KT-333、KRAS G12D 降解剂ASP-3082，划分用于复发和/或难治性淋巴瘤和晚期实体瘤、晚期KRAS G12D 突变实体瘤患者的治疗。除了在癌症的治疗应用，PROTAC手艺也可用于靶向加入其他疾病生长的卵白，例如靶向IRAK4降解用于自身免疫性疾病的治疗，从而提供更广的治疗潜力。

别的，卵白降解剂的靶向递送，可能实现最大限度地镌汰全身递送的潜在毒性。现在，已经报道的种种递送系统，包括抗体-PROTAC偶联物等，可以在肿瘤中被光、叶酸或活性氧等选择性激活，以实现PROTAC的靶向递送。

只管PROTAC在临床前和临床中都显示出治疗潜力，但PROTAC的开发也面临着挑战，如患者是否会对卵白降解剂爆发耐药性。现在，临床前的研究报道有限，迄今为止的大大都卵白降解剂耐药性的爆发是通过影响泛素-卵白酶系一切的改变，例如E2泛素团结酶的功效损失、E3泛素毗连酶的组分或E3毗连酶活性的调理因子，而不是靶卵白的改变。一项临床前研究显示，药物外排泵MDR1的上调是对卵白降解剂爆发耐药性的机制之一。需要对恒久使用卵白降解剂治疗的患者举行评估，以确认临床前视察到的耐药机制是否也会爆发在临床中。

总而言之，在已往的二十年里，PROTAC履历了从实验室光临床研究的漫长旅程，在2019年首次进入临床开发，起源临床数据的效果批注PROTAC具有用于癌症治疗的潜力，更多关于PROTAC的临床研究正在举行中。除了PROTAC之外，其他靶向卵白降解手艺也正在开发，包括同样基于泛素-卵白酶系一切的分子胶、及基于溶酶系一切的溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC) 和自噬靶向嵌合体 (AUTAC) 等，这些手艺扩展了TPD的规模，为疾病的治疗提供了辽阔的远景。

参考文献：

[1] Brandon Dale et al. Advancing targeted protein degradation for cancer therapy. Nat. Rev. Cancer 2021, 21(10): 638-654.
[2] Miklós Békés et al. PROTAC targeted protein degraders: the past is prologue. Nat. Rev. Drug Discov.2022, 21(3): 181-200.
[3] Ale?a Bricelj et al. E3 Ligase Ligands in Successful PROTACs: An Overview of Syntheses and Linker Attachment Points. Front. Chem. 2021, 9: 707317.
[4] Chao Wang et al. New-generation advanced PROTACs as potential therapeutic agents in cancer therapy. Mol. Cancer 2024, 23(1): 110.
[5] Deborah Chirnomas et al. Protein degraders enter the clinic-a new approach to cancer therapy. Nat. Rev. Clin. Oncol. 2023, 20(4): 265-278.

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