蛋白水解靶向嵌合分子PROTAC對蛋白的降解機(jī)制
PROTAC 全稱為 proteolysis-targeting chimeras (蛋白水解靶向嵌合分子)，是一種雜合雙功能小分子化合物，由三部分組成：靶蛋白配體、連接子 Linker、和 E3 連接酶配體，結(jié)構(gòu)中兩個(gè)配體之間通過 linker 相連，從而形成“三體”聚合物——靶蛋白配體-Linker-E3 配體。它通過將目標(biāo)靶蛋白和細(xì)胞內(nèi)的 E3 泛素連接酶的距離拉近，利用泛素-蛋白酶體途徑特異性的降解靶蛋白。
PROTAC 對蛋白的降解是事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，它的兩端能分別連接相應(yīng)的配體與 E3 連接酶，所以在濃度上存在一個(gè)最佳活性濃度，在此濃度兩邊由于 PROTAC 與蛋白的結(jié)合產(chǎn)生的過量或不足的游離蛋白都會(huì)導(dǎo)致降解效能的下降。
PROTAC 分子在進(jìn)入細(xì)胞后，目標(biāo)蛋白配體可特異性地與相應(yīng)的靶蛋白結(jié)合，另一端可募集 E3 連接酶，從而形成“三體”聚合物；E3 連接酶可介導(dǎo)泛素結(jié)合酶 E2 對目標(biāo)蛋白配體泛素化。被泛素標(biāo)記的目標(biāo)蛋白可被蛋白酶體識別并降解。
傳統(tǒng)小分子需要知曉靶蛋白的內(nèi)在作用位點(diǎn)和機(jī)制，而 PROTAC 則不用重視靶蛋白本身機(jī)制，無需競爭性位點(diǎn)，只要結(jié)合上，直接將靶蛋白泛素化標(biāo)記后降解。此外，由于它的機(jī)制特殊，僅需少量就可發(fā)揮藥效，用量常常是納摩爾級別，也正因?yàn)槿绱�，它在安全性和活性評價(jià)方面需要特殊的方法。
最后，常規(guī) PROTAC 藥物也存在溶解性和透膜性等問題。下圖是兩者優(yōu)缺點(diǎn)的詳細(xì)比較。
■ E3 連接酶配體
E3 連接酶可以分成 RING、HECT、RBR 等家族，每個(gè)家族下又有其他分型。目前已知的 E3連接酶約有 600 多種，但在 PROTAC 中常用配體的相關(guān) E3 連接酶只有 CRBN、VHL、IAP、MDM2 等四種，此外還有 DCF15、RNF114、DCAF16、KEAP1、FEM1B 等僅有少數(shù)配體報(bào)導(dǎo)的E3連接酶。下圖是常見的 E3 連接酶配體及其案例。
圖 3. 常見的 E3 連接酶及其配體[6]
■ 靶蛋白配體
泛素-蛋白酶體途徑可以針對細(xì)胞周期蛋白、紡錘體相關(guān)蛋白、細(xì)胞表面受體、轉(zhuǎn)錄因子、腫瘤抑制因子、癌基因產(chǎn)物以及應(yīng)激條件下胞內(nèi)變性蛋白及異常蛋白等靶蛋白進(jìn)行降解。而目前對 PROTAC 配體的選擇上大部分還只是基于已知的抑制劑/激動(dòng)劑，靶點(diǎn)也多為癌癥相關(guān)蛋白。這表明對 PROTAC 的研究還處在早期階段，靶蛋白配體可以采用虛擬篩選與高通量篩選的方法不考慮競爭結(jié)合，而神經(jīng)退行性疾病、自免性疾病等相關(guān)蛋白也有待開發(fā)。
2021 年，Nature Reviews Drug Discovery 雜志報(bào)導(dǎo)了一篇利用 PROTACtability 方法評價(jià)蛋白靶點(diǎn)的可 PROTAC 性的文章，文章最后值得 PROTAC 化的靶點(diǎn)包括了激酶 (MEK、KRAS、CDK 和 Bcr/Abl)、轉(zhuǎn)錄因子 (如 p53、STAT、RAR、ER 和 AR)、表觀遺傳因子 (如 HDAC 和 BET 溴結(jié)構(gòu)域)和 E3 連接酶本身 (如 MDM2) 等。
圖 4. PROTACability 靶點(diǎn)評價(jià)[7]
■ 連接子 Linker
Linker 是連接 E3 連接酶配體與靶蛋白配體的連接單元。鏈長是 Linker 最重要的參數(shù)，鏈長過短會(huì)因空間碰撞而阻礙三元配合物形成，鏈長過長則會(huì)帶來結(jié)合熵增加。
常見的 Linker 為 PEG 或者直鏈烷烴等，連接常用酯化、酰胺化、Click 反應(yīng)等構(gòu)建。PROTAC 分子的后期改造則是在此基礎(chǔ)上，通過改變鏈長、引入芳基增加疏水性及剛性、增加一條連接鏈限制分子扭轉(zhuǎn)、利用光轉(zhuǎn)換基團(tuán)事先屏蔽活性位點(diǎn)等方法來提高分子的總體性能。不同的連接子基元也有相應(yīng)的特點(diǎn)，如下圖所示：
圖 5. Linker 的不同基元及優(yōu)缺點(diǎn)[10]
除了上述 Linker 分子，也有研究者將 Linker 設(shè)計(jì)成可以連接兩個(gè)靶蛋白配體的結(jié)構(gòu)，其中關(guān)鍵在于中間三功能氨基酸 (蘇氨酸、絲氨酸等) 的引入。如在Rational Design and Synthesis of Novel Dual PROTACs for Simultaneous Degradation of EGFR and PARP 一文中，研究者將 EGFR 配體、PARP 配體和 E3 連接酶通過常見的烷基鏈與中間的樞紐氨基酸相連，并在體外活性測試中驗(yàn)證了該分子具有 EGFR 與 PARP 的雙重降解活性。
圖 6. 雙功能分子 PROTAC[10]
PROTAC 技術(shù)目前發(fā)展的如火如荼，它能一力降十般解決許多靶蛋白不成藥的問題，但是溶解性、透膜性和選擇性等問題的存在又使它的開發(fā)過程如履薄冰。解決這些問題可能需要新的 E3 連接酶配體的發(fā)現(xiàn)，也可能需要 Linker 分子基元的創(chuàng)新，恰逢這個(gè)時(shí)代，這些既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。
而在 PROTAC 之外，還有許多類似的技術(shù)，比如降解膜蛋白和胞吞蛋白的 LYTAC 、AUTAC、ATTEC 等，利用同樣的泛素-蛋白酶體途徑降解 IKZF 蛋白的“分子膠”等，基于抗體偶聯(lián)藥物技術(shù)將 PROTAC 連在抗體上的 PAC 藥物等，也為 PROTAC 技術(shù)的發(fā)展提供了新的開發(fā)方向。
無論前方如何，路總是人走出來的，更何況可以模塊化構(gòu)建的 PROTAC 分子，小分子作為藥物領(lǐng)域的一大前沿技術(shù)，大大縮短了小分子藥物的發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)周期。
■ MCE 可提供的產(chǎn)品與服務(wù)
MCE 是全球前沿的科研化學(xué)品和生物活性化合物供應(yīng)商，我們配備強(qiáng)大的技術(shù)人才團(tuán)隊(duì)和國際先進(jìn)的設(shè)備，對于 PROTAC 產(chǎn)品，我們擁有豐富的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。
MCE 可以為科學(xué)家提供 PROTAC 相關(guān)模塊化產(chǎn)品，目前我們已有 3200+ PROTAC 相關(guān)產(chǎn)品在線，并且在持續(xù)增加中。
同時(shí)，MCE 不斷突破創(chuàng)新，還可以提供 PROTAC 相關(guān)產(chǎn)品定制化服務(wù)，可以根據(jù)客戶要求合成不同類型的 PROTAC 產(chǎn)品 (可從客戶需要的靶蛋白進(jìn)行從初期配體篩選直到最終 PROTAC 分子設(shè)計(jì)合成)，并確保產(chǎn)品的有效性與一致性，始終保證優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)品質(zhì)。此外，對所有的定制產(chǎn)品，我們都會(huì)提供其結(jié)構(gòu)表征、理化性質(zhì)和藥物雜質(zhì)等信息。
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E3 ligase ligand linker conjugate |
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N-Descyclopropanecarbaldehyde Olaparib N-Descyclopropanecarbaldehyde Olaparib 是含有 DOTA 的奧拉帕尼的類似物，可用于合成新型靶向 EGFR 和 PARP 的雙靶點(diǎn) PROTAC，DP-C-4。 |
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是一種合成的 E3 連接酶配體-Linker 偶聯(lián)物，包含基于 Pomalidomide 的 Cereblon 配體和 1個(gè) Linker。 |
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Target protein ligand linker conjugate |
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包含靶蛋白 FAK 配體和 PROTAC linker，可募集 E3 連接酶 (如 VHL，CRBN，MDM2 和 IAP 等類型)。FAK ligand-Linker Conjugate 1 可廣泛用于 PROTAC 介導(dǎo)的蛋白降解。 |
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K-Ras ligand-Linker Conjugate 4 包含靶蛋白 K-Ras 配體和 PROTAC linker，可募集E3連接酶 (如VHL，CRBN，MDM2 和 IAP 等類型)；可用于合成 PROTAC K-Ras Degrader-1 (HY-129523)。 |
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PROTAC |
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不可逆的選擇性 BTK 抑制劑，用于合成一系列 PROTAC 分子，如 P13I。 |
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是一種基于 PROTAC 技術(shù)的有效的 K-Ras 降解劑，在 SW1573 中對 K-Ras 降解率 ≥70%。 |
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SNIPER |
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由 Dasatinib (ABL 抑制劑) 通過 Linker 與 Bestatin (cIAP1 配體)組合而成，可有效降解 BCR-ABL 蛋白。 |
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PROTAC-linker Conjugate for PAC |
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PROTAC BRD4 Degrader-5-CO-PEG3-N3 是一種用于 PAC 的 PROTAC-linker 偶聯(lián)物，包含 BRD4 降解劑 GNE-987 和 3 個(gè) PEG 的 Linker。 |
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PROTAC BRD4 degrader for PAC-1 是一種用于 PAC 的 PROTAC-linker 偶聯(lián)物，包含嵌合體 BET 降解劑 GNE-987 和含二硫化物的 Linker。 |
MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報(bào)，我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)。
參考文獻(xiàn)
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2. News: Arvinas and Pfizer Announce Global Collaboration to Develop and Commercialize PROTAC® Protein Degrader ARV-471.
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4. Pettersson M, Crews CM. PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) - Past, present and future. Drug Discov Today Technol. 2019 Apr;31:15-27.
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