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刺向Undruggable Target的一把利剑:蛋白降解靶向嵌合体PROTAC

译自Chem-Station网站日本版 原文链接:Undruggable Target と PROTAC

翻译:炸鸡

令新药研发头疼的靶点

新药研发都是从找准生物分子靶点开始的。这里的靶点可以是酶・受体・离子通道・膜载体,这些靶点无一例外都是由蛋白质所构成的。这些靶点都有能与之特异性结合的配体(也存在找不到配对的配体的“孤儿受体”),表现出底物特异性的功能。通过针对这些蛋白质靶点的结构,人为仿造出对应的配体就能设计出酶激活剂酶阻碍剂了。

然而理想很丰满,现实很骨感。没有明确的结合位点的蛋白质仍然很多,很难将这些蛋白质看作是靶点。这类蛋白质被称为“Undruggable Target =不可成药靶点”。代表性的Undruggable的蛋白质有转录因子剪接因子。Undruggable蛋白质没有能够与低分子配体进行高度选择性结合的“缺口”(图1),以现在的科学技术水平是很难将这类蛋白质当作新药靶点的。这类蛋白质约占全部蛋白质的七至八成

“druglike” 和Undruggable看起来意思很接近,“druglike”是指配体能作为药物的适宜性, “druggable/undruggable” 是指靶点蛋白质能作为新药靶点的可能性,两者不是一个概念。

图1. 传统的药物靶点和undruggable target

具有代表性的Undruggable靶点(不可成药靶点)是RAS。RAS是癌细胞中发生高频率突变的基因。它本身是一种GTP结合蛋白,一直以来RAS阻断药物都是围绕着GTP结合阻断剂进行的,但最后都无疾而终,所以时间一长RAS就被当作是undruggable target 了。然而,在2021年,美国制药巨头Amgen 的抑制剂Sotrasib(Lumakeras®,图2)获得了美国FDA的生产和上市批准,用于治疗和RAS同型的KRAS的G12C突变阳性非小细胞肺癌。KRAS是一种参与细胞增殖的蛋白质,因为突变的KRAS的增殖信号调控功能不能正常发挥作用,导致癌细胞不断分裂增殖。故而KRAS被认为是抑制癌细胞增殖的有效手段。

图2. KRAS阻断剂的同型

对付Undruggable target的利剑:Protein knockdown(蛋白敲减)

Sotrasib这样的成功开发的案例是极其罕见的,大多数还是undruggable target(不可用药靶点)。Protein knockdown是一种使undruggable target变成新药靶点的技术。生命科学里的“knockdown”是指缩减基因转录,翻译和表达量的操作,与破坏基因的“knockout”操作是不同的。和knockout不同,knockdown的优势在于能在短时间,很简便地减少目的基因的表达。借助低分子化合物来实现这一操作又称为Protein knockdown,关于Protein knockdown技术有多个方法论被提出,下面简要介绍下其中的佼佼者——PROTAC

PROTAC是把不能作为药用靶点转变为可药用靶点的技术,看到这里,读者还记得undruggable是什么意思吗?犯糊涂的话折回去温习下定义哦~

Proteolysis Targeting chimera (PROTAC)

PROTAC(全称:proteolysis targeting chimera,蛋白降解靶向嵌合体),与靶点蛋白质结合的分子和与蛋白质分解酶E3泛素连接酶结合的低分子以长度适宜的接头相连接且能诱导靶点蛋白质分解的中分子或低分子化合物,我们把这样的分子称为PROTAC。近年来,以PROTAC为代表的蛋白质分解诱导剂在新药界的讨论热度逐年攀升。 PROTAC®是Arvinas Operations, Inc.的注册商标,这里我们说的PROTAC并非指的商标,而是单纯指这一类分子。

PROTAC 化合物的结构中通常带有识别E3泛素连接酶的VHL (von Hippel-Lindau tumor suppressor希佩尔-林道肿瘤抑制因子) 和识别CRBN(Cereblon)的低分子结构。广为人知(准确来说是臭名昭著)的CRBN 识别低分子是沙利度胺。CRBN也是沙利度胺臭名昭著的副作用——致畸性的靶点蛋白质,近年来CRBN逐渐被看作是PROTAC的一部分。来那度胺和泊马度胺等酞胺类化合物作为沙利度胺的类似物,也被用于PROTAC。

这么说可能有点抽象,具体来说,合成一个分子,这个分子末端有个能和 CRBN结合的低分子沙利度胺,通过适当的连接将能与undruggable target(我们的目标靶点)发生轻微结合的低分子与沙利度胺“拼接”在一起。这样得到的分子虽然不能像特性性配体那样与靶点蛋白质有非常高的结合常数,但总的来说作为抑制剂是合格的。

  • 与undruggable target(我们的目标靶点)发生微弱结合的低分子也有能与off-target 蛋白质结合的风险

图3. 专门针对undraggable target的 PROTAC分子

以PROTAC 分子为“媒人”,让E3泛素连接酶与靶点蛋白质结合,靶点蛋白质被泛素化了。然后,蛋白酶体识别出已经被泛素化的蛋白质并引导蛋白质降解。这一生命现象被授予2004年诺贝尔化学奖。以特定的蛋白质为目标进行诱导是PROTAC技术的特别之处。

图4.  PROTAC 分子介导的靶点蛋白质的分解诱导

自然,构建PROTAC分子需要精确设计一个对靶点蛋白具有亲和力的分子(哪怕亲和力很小),以及一个将其与泛素E3连接酶结合分子连接起来的连接体。这里合成有机化学的重要性就凸显出来了。从理论上讲,只需将与每个对蛋白质有亲和力的分子用连接剂连接起来,就可以构建一个PROTAC分子,但实际上这并不那么简单。

配体和架桥(连接一个聚合体与其它聚合物的键)的细微结构差异都会影响到POI和E3连接酶的结合以及复合物的形成。因此,设计能够针对性分解的化合物并不容易。基于这个背景许多构造相近的类似物已经被合成出来,在细胞中筛选最适合针对性分解靶点蛋白质的PROTAC或分解诱导化合物。

引用自Merck web网站《標的タンパク質分解のためのPartial PROTAC》

此外,PROTAC分子的膜渗透性和细胞内动态仍然有待深入了解,目前科学家正在加紧研究以解决这些问题。

本文通篇都在写PROTAC是怎么把那些无法作为靶点的蛋白质变为靶点蛋白质,这样的说辞可能会引起一些医药界人士的不满。实际上,进入临床试验阶段的PROTAC(参考; see p. 2)的靶点是binder,主要目标是增强药物的药效和提高药物的安全性。

更强的药效:通过与特定位点结合,以期待获得超过‘机能修饰’所能带来的更高的药效

  • KT-474 (vs. IRAK4抑制剂; Kymera;  参考)- 通过分解不仅抑制了激酶活性,还抑制了骨架蛋白的功能
  • KT-333 (vs. STAT3阻害剤; Kymera; 参考) – 利用可药性高的SH2 区的binder来实现诱导分解
  • ARV-110 (vs. AR antagonist; Arvinas; 参考)–有望通过分解来克服由基因增幅和过剩表达引起的耐药性
  • NX-2127 (vs. BTK抑制剂; Nurix; 参考) – 加了BTK,Aiolos/Ikaros也被降解,有望获得包括抗耐药性更强/更广的药效

提高安全系数:利用E3泛素连接酶的组织选择性表达,避免作用机制引起的毒性。

  • DT-2166 (vs. Bcl-2/Bcl-xL抑制剂; Dialectic;  参考) – 抑制在血小板中表达较少的E3泛素连接酶(VHL)来表达组织选择性活性

PROTAC以外的蛋白质分解诱导剂

其他目的基因的knockout的方法有RNA干涉(RNA interference: RNAi),但RNAi要显现效果要等上数日,与这长时间的发效时间之形成鲜明对比的是,Protein knockdown技术仅需要几十分钟到几小时的时间就能完成靶点蛋白质的knockdown。有鉴于此,预计对PROTAC等蛋白分解诱导药物的研究将继续大力开展。

还有SNIPER (specific and nongenetic IAP-dependent protein eraser) ,AUTAC (autophagy-targeting chimera)和molecular glue (分子胶)等多个名字好听的蛋白质分解诱导技术正在被研发。基于除CRBNs以外的E3泛素连接酶(在PROTAC中是通用的)和其他降解机制,如自噬,因此这些技术在PROTAC难以被设计出来或需要额外功能如抗癌活性时是有用的。

结束语

蛋白质分解诱导药物按分子大小来分属于中分子药物,各个结合部位和配体的设计则需要低分子药物的相关知识。这是一个供药物化学家们可以尽情发挥低分子设计的奇思妙想的大舞台。另一方面,我们可以看到设计E3泛素连接酶是多么困难,在众多E3泛素连接酶中只有少数几个被实际用于Protein knockdown。 体外进行的Protein knockdown的副作用和不良事件还不确定。 我们希望进一步的研究能将 “所有蛋白质 “变成药物靶点。

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