近年來,以 PROTAC 為代表的 TPD 技術的研究如火如荼。PROTAC 主要降解的是胞內(nèi)蛋白,實際上,有 40% 的基因產(chǎn)物為胞外和膜相關蛋白,如生長因子、細胞因子和趨化因子,它們在多種疾病 (如癌癥和炎癥) 中引發(fā)異常信號傳導。那么,有沒有一種誘導胞外蛋白降解的技術來彌補 PROTAC 的這一局限呢?
溶酶體靶向嵌合體 (LYTAC)
近日,來自斯坦福大學 Bertozzi 教授的研究團隊在 Nature 上報道了一項靶向胞外蛋白的降解技術——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。斯坦福大學的研究人員還表明,在細胞中,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 可能會成為另一個“爆款”。
LYTAC 含有兩個結合域,一個寡糖肽基團 (Oligoglycopeptide group) 和一個能與目標蛋白質(zhì)結合的抗體或小分子,兩者用 li[x]nker 連接。寡糖肽基團在細胞表面與跨膜受體 CI-M6PR 結合,所得復合物被細胞膜吞沒,形成運輸囊泡,并在 CI-M6PR 作用下將復合物轉(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 糖多肽綴合構建 LYTAC Ab-2 來降解 EGFR。
另外,在去年六月份,PROTAC 先驅(qū)、耶魯大學的 Crews 小組在 ACS Central Science 雜志上發(fā)表了另一項胞外蛋白降解技術——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,推動靶向胞外蛋白蛋白技術的進一步發(fā)展。
龐大的蛋白降解家族
當然,“蛋白降解家族”可不止 PROTAC,LYTAC 兩個成員,還有很多其他的新興靶向蛋白技術,如光控靶蛋白降解 (photo-PROTAC)、分子膠 (Molecular Glue),自噬介導的靶蛋白降解 (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,這些技術不僅擴展了蛋白降解的途徑,同時提升了蛋白降解的精確度。
PROTAC 與 PhotoPROTAC:
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+li[x]nker+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合,誘導形成三元復合物,導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。
就在今年 7 月,PROTAC 先驅(qū) Crews 小組又在 ACS Central Science 發(fā)表了具有細胞活性的靶向降解 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,并在多種癌細胞系中誘導快速且持續(xù)的 KRAS G12C 降解。
與大多數(shù)小分子抑制劑主要阻斷目標酶的催化活性不同,PROTACs 旨在降解目標蛋白。這種特性提供了優(yōu)勢的同時也有潛在的弊端,當全身給藥時,它可能會導致正常細胞中的目標蛋白不受控制的降解,產(chǎn)生非特異性毒性。而光控開關 PROTACs 正是在 PROTAC 上添加一個可控的開關,使它在黑暗中無活性,特定波長的可見光下會被激活,降解目標蛋白。因此,光控開關 PROTACs 能夠在癌細胞或組織中激活,在時間和空間上地控制靶向蛋白降解,消除潛在的非特異性毒性。
降解目標蛋白模式圖[10]
今年年初 Science Advances 上的兩篇背靠背文章,分別發(fā)表了關于光控的時空激活的 PROTAC。其中哈佛醫(yī)學院和西奈山醫(yī)學院研究團隊設計了 opto-PROTACs。他們通過在泊馬度胺 (Pomalidomide) 上添加一個對光不穩(wěn)定的 Caging 基團,暫時阻止 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 分子以時間依賴性方式進行光解,從籠狀 (Caged) 狀態(tài)中解開,并成功介導 IKZF1/3 降解。他們據(jù)此原理設計的光控 opto-dBET1 以及 opto-dALK 也都分別成功介導了 BRD 蛋白和 ALK 融合蛋白的降解 (圖 3)。
分子經(jīng)照射后在非活性形式 (藍色五邊形) 和
活性形式 (黃色星形) 之間切換[11]
同樣的,紐約大學的研究團隊開發(fā)的靶向 BET 蛋白 (BRD2/3/4) 或 FKBP12 的光開關 PHOTAC 分子,也證明了光控的時空激活的有效性 (圖 4)。
分子膠 (Molecular Glue):
分子膠是一類誘導或穩(wěn)定蛋白之間相互作用的小分子化合物,通過結合 E3 泛素連接酶并修飾其分子表面,誘導新的蛋白質(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 CRBN 進行修飾,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)。
到目前為止,除 CRBN/IMiD 分子膠之外,分子膠的設計構想仍依賴偶然的發(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,是一種利用自噬機制的降解劑,能夠降解目標蛋白以及受損的細胞器,例如受損的線粒體。AUTAC 由一個模仿 S-guanylation (即,鳥嘌呤衍生物) 的降解標簽和目標蛋白配體通過 li[x]nker 組成。S-guanylation 是一種翻譯后修飾,可通過誘導 K63 多泛素化來標記選擇性自噬的目標蛋白。因此,目標蛋白被自噬受體 SQSTM1/p62 識別,并被募集到選擇性自噬途徑進行降解 (圖 6)。
TRIM-Away 技術:
Trim-Away,一種在細胞內(nèi)快速降解目標蛋白的新技術。它利用內(nèi)源性泛素連接酶 TRIM21 識別抗體的 Fc 區(qū)來降解蛋白抗體復合物。TRIM21 是一種 E3 泛素連接酶,可與抗體的 Fc 結構域高親和力結合。
在典型的 Trim-Away 中,蛋白質(zhì)降解可通過三個步驟完成:第一,引入靶向目標蛋白質(zhì)的抗體;第二,將內(nèi)源或外源/過表達的 TRIM21 募集至抗體結合的目標蛋白處;第三,蛋白酶體介導目標蛋白,抗體和 TRIM21 復合物的降解 (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,這種快速性可以大程度地減少補償機制以及繼發(fā)性等。
除上述提及到的靶向蛋白降解技術外,另外還有 BioPROTAC 靶向蛋白降解技術,它基于基因編碼直接將肽或抗體模擬物與 E3 連接酶融合,通過肽或蛋白識別域結合并降解目標蛋白。由于 BioPROTAC 依賴于基因編碼,因此存在一定的局限性。
結語
靶向蛋白降解技術的前途十分光明。盡管靶向蛋白降解技術存在一些懸而未決的問題和挑戰(zhàn),例如,如何改善 PROTAC 分子的整體藥代動力學特性,S-guanylation 介導的 K63 泛素化的具體分子機制是怎樣的,能否利用 AUTAC 來降解 COVID-19 的關鍵蛋白等。但毫無疑問,靶向蛋白降解技術填補了靶向“不可藥物”蛋白的空白,并提供了基于藥物化學的新的治療途徑。同時,靶向蛋白降解技術一般是將小分子藥物設計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+li[x]nker, 多種 E3 連接酶配體以及 E3 連接酶配體-li[x]nker 偶聯(lián)物,多種靶蛋白配體以及靶蛋白配體-li[x]nker 偶聯(lián)物。
CR8/(R)-CR8
有效的 CDK 抑制劑。作為分子膠來降解細胞周期素 K。
MG-277
分子膠降解劑,有效地誘導翻譯終止因子 GSPT1 的降解,DC50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 泛素連接酶對兩種淋巴轉(zhuǎn)錄因子 IKZF1 和 IKZF3 進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 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)品僅用作科學研究,我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務