靶向蛋白降解的现状与未来

作者：张馨予

　　前几天翻了几篇比较近期关于靶向蛋白降解的reviews，斗胆整理总结一下，大概可以算是review of reviews

　　引用文献列在最后。

　　1. 技术发展沿革

　　靶向蛋白降解（TPD）具有治疗性调节蛋白质的潜力，特别是那些已被证明难以用常规小分子靶向的蛋白，它们活性位点很宽、很浅、很难用小分子桥接，还有表面很“光滑”、缺少小分子的结合位点。这些靶点在肿瘤和其他疾病中具有关键作用，且对小分子抑制剂有耐药问题，因而有很大开发潜力。

　　自文献报道第一个小分子PROTAC以来已有20多年，这项技术已经从学术界走向工业界：2019年首批分子进入临床开发阶段，2020年在雌激素受体（ER）和雄激素受体（AR）两个靶点上完成了POC，TPD领域正在向“难以成药”靶点迈进。

靶向蛋白降解的现状与未来

　　2. 蛋白降解路径

　　蛋白质稳态（Proteostasis）是指细胞用来维持蛋白质的浓度、构象和亚细胞定位的高度复杂和相互关联的过程，包括很多控制蛋白质的合成、折叠、运输和清除的信号通路。在真核细胞中，受损的蛋白质或细胞器可以被蛋白酶体或溶酶体清除，这两条途径是独立、但又相互联系的。一般来说，蛋白酶体通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）来消除短寿蛋白质和可溶性错误折叠蛋白质，溶酶体通过内吞、吞噬或自噬途径来降解长寿蛋白质和不溶性蛋白质聚集体、甚至是整个细胞器和胞内寄生物（例如某些细菌）。

靶向蛋白降解的现状与未来

　　2.1 蛋白酶体途径的靶向蛋白降解

　　UPS包括蛋白酶体、泛素连接酶和去泛素化酶（DUBs），负责降解受损、未折叠和无用的蛋白质。76个氨基酸残基的泛素蛋白通过赖氨酸异肽键作为翻译后修饰（PTM）连接到蛋白质上，先后涉及三种酶的反应：泛素活化酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3），E1消耗ATP与泛素分子结合，然后通过与E2的相互作用将泛素转移到E2，再由E3催化泛素从E2转移到底物上，这三种酶的重复作用导致底物的多重泛素化。根据缀合的泛素分子数目，有8种不同的多泛素链（其中7个赖氨酸残基K6、K11、K27、K29、K33、K48、K63和1个甲硫氨酸残基），其中在哺乳动物细胞中K48和K63键最常见、占比约80%，K48泛素链标记的蛋白通常靶向蛋白酶体进行降解，K63泛素链标记的蛋白在蛋白酶体降解中不起作用、但在调节溶酶体功能和炎症反应中起关键作用。

靶向蛋白降解的现状与未来

　　在典型的泛素化通路中，泛素通过E1-E2-E3酶的级联反应与靶蛋白结合。由于E3连接酶负责识别底物，并且其家族的数量大大超过E1和E2，基于UPS的TPD策略利用E3连接酶作为降解的靶向蛋白。通过UPS来降解目标蛋白（POI）主要包括两种技术，即PROTAC和分子胶，以及很多基于PROTAC的技术，如选择性雄/雌激素受体降解剂（SARD/SERD）、疏水性标签（HyT）、TF-PROTAC、双PROTAC等。

　　2.1.1 PROTAC

　　PROTAC分子包含E3招募的配体、靶向POI的弹头和连接两个配体的柔性连接子，它能使得POI-PROTAC-E3形成三元复合物，诱导POI的泛素化和随后通过UPS的降解。

　　与传统的小分子抑制剂相比，PROTAC具有多种优势：1）它极大地扩展了可成药蛋白的范围，目前已经鉴定了4,000多种疾病相关蛋白，其中只有约400种蛋白质成药，许多由于结构复杂、脱靶效应等原因而不能被传统抑制剂靶向；2）传统的小分子抑制剂只阻断蛋白质的部分功能，而PROTAC则会直接降解蛋白质，从而消除其所有功能；3）传统的激酶抑制剂通常在靶点的突变或过表达时会出现耐药性，但PROTAC可以通过降解靶蛋白，将长期选择压力导致的耐药性降至最低；4）PROTAC在亚化学计量和催化方式下具有活性，因而可以在低浓度下发挥作用，从而减少可能的毒副作用。

　　2.1.2 分子胶

　　分子胶通过形成三元复合物，来促进两种蛋白质的二聚化或共定位，可以调节多种生物过程，如转录、染色质调节、蛋白质折叠、定位和降解。

　　分子胶诱导泛素连接酶和POI之间的相互作用，导致POI泛素化和随后的降解。尽管分子胶和PROTAC都利用UPS降解蛋白，但它们有几个区别：1）PROTAC是异双功能降解剂、同时与E3连接酶和POI相互作用，而分子胶可以仅与E3连接酶或POI相互作用、并诱导它们之间的相互作用；2）分子胶没有连接子，比PROTAC分子量更小、口服生物利用度更高、细胞渗透性更好；3）分子胶更难设计，尽管有一些理性设计策略正在开发。