藥界新寵——LYTAC 與靶向蛋白降解技術(shù)
靶向蛋白降解 (TPD) 是一種有效性的，高度選擇性的誘發(fā)蛋白降解方式。近年來，以 PROTAC 為代表的 TPD 技術(shù)的研究如火如荼。PROTAC 主要降解的是胞內(nèi)蛋白，實(shí)際上，有 40% 的基因產(chǎn)物為胞外和膜相關(guān)蛋白，如生長因子、細(xì)胞因子和趨化因子，它們?cè)诙喾N疾病 (如癌癥和炎癥) 中引發(fā)異常信號(hào)傳導(dǎo)。那么，有沒有一種誘導(dǎo)胞外蛋白降解的技術(shù)來彌補(bǔ) PROTAC 的這一局限呢？
PROTAC 是通過「清潔工」——泛素-蛋白酶體系統(tǒng) (UPS) 來降解目標(biāo)蛋白 (POI)，而此途徑是胞內(nèi)蛋白降解的主要途徑，因此 PROTAC 主要降解胞內(nèi)蛋白。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬-溶酶體途徑：是目前最主要的兩條降解途徑。這兩條降解途徑之間相互聯(lián)系，具有協(xié)同和補(bǔ)償作用。
溶酶體靶向嵌合體 (LYTAC)
近日，來自斯坦福大學(xué) Bertozzi 教授的研究團(tuán)隊(duì)在 Nature 上報(bào)道了一項(xiàng)靶向胞外蛋白的降解技術(shù)——溶酶體靶向嵌合體 (LYTAC)。并且證明 LYTAC 成功降解了表皮生長因子受體 (EGFR)、程序性死亡配體 1 (PD-L1) 和載脂蛋白 E4。斯坦福大學(xué)的研究人員還表明，在細(xì)胞中，LYTAC 可以靶向并降解阿爾茨海默癥和癌癥中的重要蛋白。繼 PROTAC 之后，LYTAC 可能會(huì)成為另一個(gè)“爆款”。
圖 1. LYTAC 作用機(jī)制[3]
LYTAC 含有兩個(gè)結(jié)合域，一個(gè)寡糖肽基團(tuán) (Oligoglycopeptide group) 和一個(gè)能與目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)合的抗體或小分子，兩者用 Linker 連接。寡糖肽基團(tuán)在細(xì)胞表面與跨膜受體 CI-M6PR 結(jié)合，所得復(fù)合物被細(xì)胞膜吞沒，形成運(yùn)輸囊泡，并在 CI-M6PR 作用下將復(fù)合物轉(zhuǎn)移至溶酶體降解，而受體 CI-M6PR 可循環(huán)利用并回到細(xì)胞膜 (如圖 1)。例如通過使用抗 EGFR 單克隆抗體 Cetuximab 與 CI-M6PR 配體 M6Pn 糖多肽綴合構(gòu)建 LYTAC Ab-2 來降解 EGFR。
另外，在去年六月份，PROTAC 先驅(qū)、耶魯大學(xué)的 Crews 小組在 ACS Central Science 雜志上發(fā)表了另一項(xiàng)胞外蛋白降解技術(shù)——內(nèi)源性嵌合體 (ENDTAC)。但該文章由于無法重現(xiàn)數(shù)據(jù)，已經(jīng)于今年年初撤回。
不論是 LYTAC 還是 ENDTAC，都需要研究者繼續(xù)探索，推動(dòng)靶向胞外蛋白蛋白技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
當(dāng)然，“蛋白降解家族”可不止 PROTAC，LYTAC 兩個(gè)成員，還有很多其他的新興靶向蛋白技術(shù)，如光控靶蛋白降解 (photo-PROTAC)、分子膠 (Molecular Glue)，自噬介導(dǎo)的靶蛋白降解 (AUTAC)、利用 TRIM21 E3 連接酶靶向降解蛋白的 Trim-Away，基因編碼降解劑 (BioPROTAC) 等，這些技術(shù)不僅擴(kuò)展了蛋白降解的途徑，同時(shí)提升了蛋白降解的精確度。
■ PROTAC 與 PhotoPROTAC：
在之前的文章中給大家介紹過 PROTAC 下面來畫一下重點(diǎn)吧。
PROTAC 一直是靶向蛋白降解家族的代表。
1、由三部分組成的雙功能雜交化合物：靶蛋白配體+Linker+E3 泛素連接酶配體 (圖 2)。
2、通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)靶向降解蛋白：PROTAC 可以與 E3 泛素連接酶和靶蛋白結(jié)合，誘導(dǎo)形成三元復(fù)合物，導(dǎo)致多聚泛素化并隨后降解靶蛋白。PROTAC 可以回收繼續(xù)利用 (圖 2)。
3、不僅具有靶向“不可成藥”蛋白的潛力，并且能夠在低濃度下有效誘導(dǎo)蛋白質(zhì)降解。PROTAC 還能靶向突變蛋白，克服小分子抑制劑耐藥性的問題。
圖 2. PROTACs 的作用機(jī)制[6]
就在今年 7 月，PROTAC 先驅(qū) Crews 小組又在 ACS Central Science 發(fā)表了首個(gè)具有細(xì)胞活性的靶向降解 KRAS G12C 突變的 PROTAC 分子 LC-2。LC-2 由 MRTX849 與 VHL E3 連接酶配體連接組成，并在多種癌細(xì)胞系中誘導(dǎo)快速且持續(xù)的 KRAS G12C 降解。
與大多數(shù)小分子抑制劑主要阻斷目標(biāo)酶的催化活性不同，PROTACs 旨在降解目標(biāo)蛋白。這種特性提供了優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也有潛在的弊端，當(dāng)全身給藥時(shí)，它可能會(huì)導(dǎo)致正常細(xì)胞中的目標(biāo)蛋白不受控制的降解，產(chǎn)生非特異性毒性。而光控開關(guān) PROTACs 正是在 PROTAC 上添加一個(gè)可控的開關(guān)，使它在黑暗中無活性，特定波長的可見光下會(huì)被激活，降解目標(biāo)蛋白。因此，光控開關(guān) PROTACs 能夠在癌細(xì)胞或組織中激活，在時(shí)間和空間上精準(zhǔn)地控制靶向蛋白降解，消除潛在的非特異性毒性。
圖 3. opto-pomalidomide 以 UVA 依賴的方式降解目標(biāo)蛋白模式圖[10]
今年年初 Science Advances 上的兩篇背靠背文章，分別發(fā)表了關(guān)于光控的精準(zhǔn)時(shí)空激活的 PROTAC。其中哈佛醫(yī)學(xué)院和西奈山醫(yī)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了 opto-PROTACs。他們通過在泊馬度胺 (Pomalidomide) 上添加一個(gè)對(duì)光不穩(wěn)定的 Caging 基團(tuán)，暫時(shí)阻止 Pomalidomide 與 E3 連接酶 CRBN 的相互作用，之后利用紫外線 A (UVA) 照射，opto-pomalidomide 分子以時(shí)間依賴性方式進(jìn)行光解，從籠狀 (Caged) 狀態(tài)中解開，并成功介導(dǎo) IKZF1/3 降解。他們據(jù)此原理設(shè)計(jì)的光控 opto-dBET1 以及 opto-dALK 也都分別成功介導(dǎo)了 BRD 蛋白和 ALK 融合蛋白的降解 (圖 3)。
圖 4. PHOTAC 的示意圖分子經(jīng)照射后在非活性形式 (藍(lán)色五邊形) 和
活性形式 (黃色星形) 之間切換[11]
同樣的，紐約大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的靶向 BET 蛋白 (BRD2/3/4) 或 FKBP12 的光開關(guān) PHOTAC 分子，也證明了光控的精準(zhǔn)時(shí)空激活的有效性 (圖 4)。
■ 分子膠 (Molecular Glue)：
分子膠是一類誘導(dǎo)或穩(wěn)定蛋白之間相互作用的小分子化合物，通過結(jié)合 E3 泛素連接酶并修飾其分子表面，誘導(dǎo)新的蛋白質(zhì)間相互作用 (正常情況下兩者原先沒有相互作用)，并在連接酶的作用下，導(dǎo)致蛋白降解 。沙利度胺 (Thalidomide) 及類似物泊馬度胺 (Pomalidomide) 和來那度胺 (Lenalidomide) 是一類免疫調(diào)節(jié)類藥物 (IMiDs)，也是典型的分子膠，它們可對(duì) CRBN 進(jìn)行修飾，形成新的蛋白間相互作用, 降解幾種鋅指轉(zhuǎn)錄因子，如形成 CRBN-IMiDs-IKZF1，隨后降解 IKZF1 (圖 5)。
圖 5. IMiDs 與 CRL4 E3 連接酶底物受體 CRBN 結(jié)合，
為泛素化和蛋白酶體降解募集底物[12]
到目前為止，除 CRBN/IMiD 分子膠之外，分子膠的設(shè)計(jì)構(gòu)想仍依賴偶然的發(fā)現(xiàn)，包括通過系統(tǒng)地挖掘數(shù)據(jù)庫得到的 CDK 抑制劑 CR8 分子，以及優(yōu)化 MDM2 雙功能降解劑 MD-222 得到的 MG-277 。
■ 自噬介導(dǎo)的靶向蛋白質(zhì)降解 (AUTAC)：
自噬靶向嵌合體 (AUTAC)，顧名思義，是一種利用自噬機(jī)制的降解劑，能夠降解目標(biāo)蛋白以及受損的細(xì)胞器，例如受損的線粒體。AUTAC 由一個(gè)模仿 S-guanylation (即，鳥嘌呤衍生物) 的降解標(biāo)簽和目標(biāo)蛋白配體通過 Linker 組成。S-guanylation 是一種翻譯后修飾，可通過誘導(dǎo) K63 多泛素化來標(biāo)記選擇性自噬的目標(biāo)蛋白。因此，目標(biāo)蛋白被自噬受體 SQSTM1/p62 識(shí)別，并被募集到選擇性自噬途徑進(jìn)行降解 (圖 6)。
圖 6. AUTAC 作用機(jī)制[15]
■ TRIM-Away 技術(shù)：
Trim-Away，一種在細(xì)胞內(nèi)快速降解目標(biāo)蛋白的新技術(shù)。它利用內(nèi)源性泛素連接酶 TRIM21 識(shí)別抗體的 Fc 區(qū)來降解蛋白抗體復(fù)合物。TRIM21 是一種 E3 泛素連接酶，可與抗體的 Fc 結(jié)構(gòu)域高親和力結(jié)合。
在典型的 Trim-Away 中，蛋白質(zhì)降解可通過三個(gè)步驟完成：第一，引入靶向目標(biāo)蛋白質(zhì)的抗體；第二，將內(nèi)源或外源/過表達(dá)的 TRIM21 募集至抗體結(jié)合的目標(biāo)蛋白處；第三，蛋白酶體介導(dǎo)目標(biāo)蛋白，抗體和 TRIM21 復(fù)合物的降解 (圖 7)。
相比于 DNA 敲除和 RNA 干擾等方式破壞靶蛋白，Trim-Away 不需預(yù)先修飾基因組或 mRNA 即可急性降解內(nèi)源蛋白，而且 Trim-Away 在幾分鐘內(nèi)就能去除靶蛋白，這種快速性可以最大程度地減少補(bǔ)償機(jī)制以及繼發(fā)性等。
圖 7. TRIM-Away 機(jī)制圖[5]
除上述提及到的靶向蛋白降解技術(shù)外，另外還有 BioPROTAC 靶向蛋白降解技術(shù)，它基于基因編碼直接將肽或抗體模擬物與 E3 連接酶融合，通過肽或蛋白識(shí)別域結(jié)合并降解目標(biāo)蛋白。由于 BioPROTAC 依賴于基因編碼，因此存在一定的局限性。
結(jié)語
靶向蛋白降解技術(shù)的前途十分光明。盡管靶向蛋白降解技術(shù)存在一些懸而未決的問題和挑戰(zhàn)，例如，如何改善 PROTAC 分子的整體藥代動(dòng)力學(xué)特性，S-guanylation 介導(dǎo)的 K63 泛素化的具體分子機(jī)制是怎樣的，能否利用 AUTAC 來降解 COVID-19 的關(guān)鍵蛋白等。但毫無疑問，靶向蛋白降解技術(shù)填補(bǔ)了靶向“不可藥物”蛋白的空白，并提供了基于藥物化學(xué)的新的治療途徑。同時(shí)，靶向蛋白降解技術(shù)一般是將小分子藥物設(shè)計(jì)成為一種新型的藥物，這無疑也為小分子藥物的用途提供了廣闊的思路。
相關(guān)產(chǎn)品
PROTACs
MCE 收錄了 100+ 種 PROTAC 降解劑以及各類 PROTAC 組分。PROTAC 降解劑：包括靶向 BET、STAT、MDM2、CDK、ER 、AR 等；PROTAC 組分包括 PEGs, Alkyl-Chain 和 Alkyl/ether 在內(nèi)的 2000+Linker, 多種 E3 連接酶配體以及 E3 連接酶配體-Linker 偶聯(lián)物，多種靶蛋白配體以及靶蛋白配體-Linker 偶聯(lián)物。
CR8/(R)-CR8
有效的 CDK 抑制劑。作為分子膠來降解細(xì)胞周期素 K。
MG-277
分子膠降解劑，有效地誘導(dǎo)翻譯終止因子 GSPT1 的降解，DC 50 為 1.3 nM。
Lenalidomide
Thalidomide 的衍生物，一種泛素 E3 連接酶 cereblon 的配體，可通過 CRBN-CRL4 泛素連接酶對(duì)兩種淋巴轉(zhuǎn)錄因子 IKZF1 和 IKZF3 進(jìn)行選擇性泛素化和降解。
Pomalidomide
第三代免疫調(diào)節(jié)劑，與 E3 連接酶 cereblon 相互作用，可誘導(dǎo) IKZF1 和 IKZF3 蛋白的降解。
Thalidomide
抑制 cereblon，Kd 約為 250 nM，具有免疫調(diào)節(jié)、抗炎、抗腫瘤作用。
MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究，我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)
縮寫：
TPD：Targeted protein degradation
CI-M6PR：Cation-independent mannose-6-phosphate receptor
POI：Protein of interest
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