盡管人類在藥物開發領域已經做出了長足的進步，但一場Covid-19卻將人類對抗疾病的差距暴露無疑。在目前FDA批準的療法中，僅針對了人類疾病相關的4500多個已知基因中的大約750種蛋白。更多的蛋白受體因為沒有良好的藥物配體，成為了那些選擇有限或者治療效果不佳的疾病的保護傘。為了擺脫這種桎梏，新型的療法不斷被研發出來，其中最 具希望的領域之一，在于靶向蛋白質降解（TPD, targeted protetin degradation）技術的開發。
靶向蛋白質降解劑
(資料圖片)
TPD是一個很廣闊的范疇，包括眾多蛋白質定向降解機制，例如著名的分子膠（Molecular Glue）和蛋白水解靶向嵌合體 (PROTACs)。這篇文章專注于后者的介紹。
PROTACs藥物是一類異雙功能藥物，一般由三個組分構成：目標蛋白（POI, Protein of Interest）的靶標結合域（TBM, target binding moiety）、泛素E3連接酶結合域（EBM, ubiquitin E3 ligase binding moiety）、以及連接這兩部分的接頭（圖 1）。在本文中，所稱的“降解劑degrader”指的就是由這三個部分組成的整體分子結構。
圖1. 靶向蛋白降解劑（TPD）的典型藥物發現范例: 第 1 階段包括識別選擇性靶標結合域 (TBM)；第 2 階段涉及優化 TBM 鏈接向量；在第 3 階段，評估 E3 連接酶結合域 (EBM)；在第 4 階段優化接頭。根據每個階段的結果，可以進行迭代過程以重新優化早期的設計元素。
PROTACs介導的蛋白質降解途徑
UPS（泛素-蛋白酶體系統）
蛋白質穩態（homeostasis，亦稱proteostasis），是指細胞用來維持蛋白質濃度、構象和亞細胞定位的高度復雜且相互關聯的過程。它包含大量控制蛋白質合成、折疊、蛋白質轉運和處置的途徑。在真核細胞中，受損的蛋白質可被蛋白酶體 (proteasomes) 或溶酶體 (lysosomes) 清除。這兩條途徑相互獨立但又相互關聯。
通常來說，蛋白酶體通過泛素-蛋白酶體系統 (UPS, ubiquitin–proteasome system) 消除短壽命蛋白質和可溶性錯誤折疊蛋白質。相比之下，溶酶體負責通過內吞作用、吞噬作用或自噬途徑降解長壽命蛋白質、不溶性蛋白質聚集體，甚至整個細胞器、大分子化合物和細菌。
蛋白酶體是UPS（泛素-蛋白酶體系統）的一部分，負責降解受損、展開和無用的蛋白質。除了蛋白酶體，UPS 還包含各種泛素連接酶（ubiquitin ligases）和去泛素化酶 (DUB，de-ubiquitinating enzymes)。
擁有76 個殘基的泛素是通過三種酶的連續介導過程與目標蛋白質結合的：
Ub 激活酶 (E1)、Ub 結合酶 (E2) 和 Ub 連接酶 (E3)。E1 以 ATP 依賴性方式與泛素分子結合，然后通過與 E2 的相互作用將泛素轉移至 E2。接下來，E3 催化泛素分子從 E2 轉移到受體蛋白底物。這三種酶的重復協同作用導致底物的多聚泛素化（polyubiquitination）。
多聚泛素化過程如下：第一個泛素分子通過其 C 端羧基共價結合到靶蛋白的特定賴氨酸、半胱氨酸、絲氨酸、蘇氨酸或 N 端。當第二個泛素的 C 末端連接到第一個已偶合的泛素分子上的七個賴氨酸殘基之一或其N端甲硫氨酸時，就會發生多聚泛素化，從而形成一條鏈。這個過程重復幾次，導致添加幾個泛素。只有泛素分子上特定賴氨酸介導的多泛素化，主要是 K48 和 K29，才與蛋白酶體的降解有關（稱為“死亡分子之吻”），而其他多泛素化（例如 K63、K11、K6 和 M1）和單泛素化可能調節內吞運輸、炎癥、翻譯和 DNA 修復等過程。被泛素標記的受體蛋白之后受到26S蛋白酶體的作用而被降解（圖2）。
圖2. 通過泛素-蛋白酶體系統 (UPS) 降解蛋白質的過程示意圖。泛素化需要三類酶的順序作用：激活酶 (E1)、結合酶 (E2) 和連接酶 (E3)。在ATP依賴的第一步中，E1 結合并激活泛素。然后泛素被轉移到 E2上，形成 E2-泛素中間體。E3連接酶結合中間蛋白和底物蛋白，催化泛素和底物蛋白之間形成異肽鍵，以完成底物蛋白的泛素化和多聚泛素化。去泛素化酶 (DUB) 是負責去泛素化的蛋白酶。從蛋白質中切割泛素可以防止蛋白質降解。（圖片來源：ubiquigent.com）
靶向蛋白質降解優勢
相對于傳統小分子療法相比，TPD 具有多種優勢：
首先，由于 TPD的TBM (靶標結合域) 并不需要肩負抑制 POI (目標蛋白) 功能的責任，因此該策略可以適用于更多的 POI，包括許多傳統意義上的不可成藥受體。
其次，與小分子抑制劑相比，TPD策略中的降解劑 (degrader) 具有更高的選擇性，因為整個策略的成功，需要經歷三元復合物（指的是“POI―TPD藥物―泛素E3連接酶”）的形成、泛素化和降解步驟，只有很高的選擇性才能保證這三個步驟的實現。
第三，鑒于降解過程徹底消除了 POI 的所有功能，與僅抑制單一 POI 功能的小分子療法相比，降解劑可以提供差異化的藥理學，這是一個不可逆的過程。
最后，因為每個降解劑都可以降解多個副本的 POI （即一個TPD藥物可以降解多個目標蛋白），所以可以在低于化學計量（sub-stoichiometic）的條件下起效。這為降解劑的高效力和低劑量奠定了基礎。
臨床TPD降解劑化學結構
盡管存在超出利平斯基5規則（Ro5）的情況，但批準用于臨床研究的 20 種臨床降解劑中仍然有 14 種用于口服給藥。Arvinas 的兩種口服降解劑 bavdegalutamide (ARV-110) 和 ARV-471，以及 C4 Therapeutics 的口服臨床降解劑 CFT8634，由于其靶標結合域（TBM） 尺寸小，cereblon 泛素E3結合域和短而緊湊的接頭而具有相對較低的分子量（表 1）。相比之下，Dialectic Therapeutics 的可注射降解劑 DT-2216 的化學結構中，由于結合了較大的 VHL 泛素E3結合域和衍生自小分子抑制劑 navitoclax（分子量975 Da.）的非常大的靶標結合域，因此相對于已知結構的口服TPD降解劑，DT-2216 具有明顯更高的分子量、更多的氫鍵供體和更多的可旋轉鍵。 這四個候選物所代表的物理化學特性閾值，勾畫出了降解劑模態的當前設計空間。一般來說，相對于類似DT-2216 特性的降解劑，ARV-110、ARV-471 和 CFT8634 的類似物可能具有更大的口服給藥潛力。
表1. 臨床TPD降解劑化學結構（化學結構中，目標蛋白的靶標結合域以藍色顯示，接頭以黑色顯示，E3 連接酶結合域 以紅色顯示）。
TPD臨床情況
為了驗證降解劑模態的有效性，臨床開發計劃已經針對性地展開。在美國注冊的臨床試驗中的20 種降解劑中，已有 13 款針對四種目標蛋白【雄激素受體 (AR, androgen receptor)、BRAF-V600X、布魯頓酪氨酸激酶 (BTK, Bruton’s tyrosine kinase) 和雌激素受體 (ER, oestrogen receptor)】 ，而這四種目標蛋白之前已經擁有了針對它們的獲批藥物。其余7種降解劑靶向目標蛋白尚未有獲批的治療劑上市，針對這些目標蛋白的小分子正在臨床試驗中，但尚未獲得批準。這些目標蛋白包括白細胞介素 1 受體相關激酶 4 (IRAK4)、溴結構域蛋白 4 (BRD4)、溴結構域蛋白 9 (BRD9)、信號轉導和轉錄激活因子 3 (STAT3)。TPD臨床狀況見表2。
表2. 臨床階段的TPD降解劑
總 結
靶向蛋白質降解 (TPD) 是一種新興的治療方式，具有解決致病蛋白質的潛力，這些蛋白質在歷史上一直很難用傳統的小分子靶向。自從利用UPS（泛素-蛋白酶體系統）降解靶向蛋白的PROTAC概念被報道以來的 20 年里，TPD 已經從學術界轉向工業界，許多開發商展示了他們臨床前和早期臨床項目發展。該領域已準備好了針對以前被認為“不可成藥”的受體蛋白。靶向蛋白質降解可能成為一種關鍵的治療方式。交叉領域的協同進步，在未來將進一步推進靶向蛋白質降解技術的發展和應用，這種新型療法方式很有可能為患者提供針對不同適應癥的新治療選擇。
參考資料：
[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)
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