异质双功能嵌合分子PROTAC构建了一种利用细胞天然蛋白降解机制诱导与**发病机制相关特定蛋白降解的降解工具。近日,PROTAC领域先驱Craig M. Crews在Nature Reviews Clinical Oncology杂志上发表*新综述文章,详细报道了这一技术的发展现状与未来展望。
来源:Nature Reviews Clinical Oncology
PROTAC分子介导E3连接酶和靶蛋白之间的瞬时相互作用,导致靶蛋白的泛素(Ub)标记及其随后被蛋白酶体降解。
PROTAC的作用机理(来源:Nature Reviews Clinical Oncology)
PROTAC技术已有20多年的发展历史。PROTAC概念验证的研究*早可以追溯到2001年,当时Crews教授团队利用肽段验证人为诱导细胞内蛋白降解的可能性,但是这种肽段分子量太大,需要细胞穿透肽提高细胞通透性。2008年报道的头个小分子PROTAC及后续小分子E3连接酶配体的发现,大大促进学术界和工业界对这项技术的追捧。
蛋白质降解剂开发的关键进展时间轴(来源:Nature Reviews Clinical Oncology)
PROTAC的设计与进展
▌靶标选择
由于PROTAC分子不满足“类药五规则”导致成药性不好,应当重点探索这种技术在其他**形式无法攻克的靶点与适应症中的应用可能性。
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不可成药靶点:传统意义上KRAS蛋白和STAT3等“不可成药蛋白”目前已成功利用PROTAC降解。临床前研究中已开发出不直接靶向BCR-ABL 1活性位点并成功降解该蛋白的PROTAC分子,这为后续继续开发降解其他不可成药蛋白的PROTAC奠定基础。
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耐药突变:临床中耐药突变的原因包括靶蛋白结构突变、靶蛋白过表达等造成的抑制剂无法达到充分的占有率。BTK C481S突变导致突变蛋白对临床BTK抑制剂的亲和力大大下降,但残存的结合活性仍可以满足PROTAC介导BTK C481S突变的要求。
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蛋白亚型选择:蛋白的某种特定亚型往往是一种**的驱动因素,但由于结合位点的高度同源性,小分子抑制剂难以实现亚型选择性。而基于非亚型选择性小分子抑制剂开发的PROTAC分子可以赋予抑制剂额外的选择性。例如,可以利用CDK4/6抑制剂开发出只降解CDK4或CDK6的PROTAC分子。
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具有支架功能的蛋白质:此类蛋白是通过与其他蛋白形成复合物发挥作用,并不需要自身的催化功能,因此小分子抑制剂难以屏蔽其活性。PROTAC蛋白可以将这种蛋白直接降解,如AbbVie公司开发的用于降解缺乏激酶活性IRAK3的PROTAC分子。
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蛋白聚合物:蛋白聚合体主要涉及神经变性**(如阿尔茨海默病和帕金森病),目前正在探索PROTAC技术在该领域的可能性。
▌药代动力学考虑
由于PROTAC分子量大,不满足“类药五规则”的限制,此类**在体内的药代动力学参数不加,需要对结构进行仔细优化。此外,由于PROTAC“亚化学计量学”的催化作用,需要建立蛋白降解的药代-药效关系模型。
PROTAC的发展趋势
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在临床试验中验证降解“不可成药蛋白”:目前,进入临床试验阶段的PROTAC分子主要以传统的AR、ER、BTK等为靶点。Kymera Therapeutics公司靶向STAT3的KT-333 和Astellas Pharma作用于KRAS G12D的ASP3082正处于临床I期,期待PROTAC分子在这类难成药靶点上取得令人满意的结果。
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特异性靶向:已报道的抗体-PROTAC偶联物等靶向策略可以有效提高PROTAC分子对肿瘤的识别;PROTAC通过修饰基团在肿瘤中被光、叶酸或活性氧物质激活,也是一种有效降低PROTAC分子全身递送潜在的毒性。
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探索其他适应症:目前PROTAC的适应症还集中于肿瘤领域。积极探索PROTAC在IRAK4等自身性免疫**等适应症的其他蛋白将有利于开拓这项技术更广泛的应用前景。
PROTAC的潜在挑战
尽管PROTAC在临床前和临床试验中均显示积极结果,但随着应用深入,这项技术可能面临以下挑战:
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耐药性:PROTAC在临床前实验中造成的耐药性报告有限,但是这种可能性需要引起大家警惕。目前大量的PROTAC分子通过泛素-蛋白酶体途径诱导靶蛋白降解,包括E3连接酶、E2缀合酶失活可能直接影响PROTAC对靶蛋白水平的调节。需要评估临床环境中患者长期使用PROTAC**是否导致耐药性。
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应用场景受限:由于PROTAC需要进入细胞,与靶蛋白和E3连接酶同时结合,这种作用机理限制了这项技术无法应用于细胞膜蛋白和细胞外蛋白。
总结
过去20年间,PROTAC走过从实验室到临床的漫长旅程,而进入临床的时间仅有4年。目前,PROTAC技术初步的临床数据令人满意,期待这项技术为更多**患者带来实质性的希望和帮助。
参考资料:
[1]Deborah Chirnomas et al. Protein degraders enter the clinic — a new approach to cancer therapy. Nature Reviews Clinical Oncology. 2023.
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