“未來幾年內(nèi)，通過靶向基因組變異，醫(yī)生將能夠治愈阿爾茨海默病，帕金森，糖尿病，以及癌癥等一系列疾病。實際上我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠想象，到了我們孫子這一輩，癌癥這一名詞對他們來說會變得非常陌生。”

       2000年6月，克林頓總統(tǒng)在人類基因組測序完成的新聞發(fā)布會中的發(fā)表了這樣一段講話。

       實際上當(dāng)時基因組測序并沒有完成，但在2000年的時候主要工作已經(jīng)差不多完成了。當(dāng)時有一些研究人員認(rèn)為，在完成人基因組測序之后我們將能夠了解導(dǎo)致疾病產(chǎn)生的基因組變異，以及相關(guān)蛋白的信息。而這些信息能夠幫助我們找到治愈疾病的方法。

       在克林頓總統(tǒng)演講之后，18年已經(jīng)過去了，這些疾病依然沒有被治愈，而且可以說我們治療這些疾病的手段依然非常有限。

       導(dǎo)致我們無法有效治療或者治愈這些疾病的原因非常多。深入理解這些疾病的生物學(xué)機制并不容易，這大概也是導(dǎo)致新藥研發(fā)失敗的一個障礙。

       除此之外，即使我們已經(jīng)找到了看似可行的藥物靶點，針對這些靶點開發(fā)藥物也并非易事。

       隨著技術(shù)的不斷迭代，目前基因組測序的成本已經(jīng)非常低。我們似乎已經(jīng)能夠找到很多誘發(fā)疾病的一些驅(qū)動基因，更好的理解癌癥的驅(qū)動基因使我們研發(fā)出了一些成功的藥物，比如伊馬替尼，奧希替尼，olaparib。

       但更多的時候，限于目前技術(shù)水平，即使找到了驅(qū)動基因，也無法針對這些靶點開發(fā)藥物。

       大部分傳統(tǒng)小分子藥物以及抗體藥物都是靶向蛋白質(zhì)類的靶點。但實際上我們目前能夠通過藥物干預(yù)的這些靶點只占人體內(nèi)蛋白的很小一部分，大約有80%-90%的蛋白是傳統(tǒng)的藥物研發(fā)手段無法進行有效干預(yù)的。

       主要原因是很多這類蛋白靶點缺乏能夠直接參與蛋白功能調(diào)節(jié)的結(jié)合腔。目前小分子藥物主要是通過與蛋白中所謂的活性結(jié)合腔結(jié)合，競爭性阻止內(nèi)源性底物進入結(jié)合腔，從而達(dá)到阻斷蛋白功能的目的 (當(dāng)然也存在其他作用機制的藥物)。

       但問題是這種藥物研發(fā)模式很難應(yīng)用到缺乏相應(yīng)結(jié)合腔的蛋白中。而且對于存在于細(xì)胞內(nèi)部的蛋白，目前也很難開發(fā)相應(yīng)的抗體藥物。

       這樣的靶點確實非常多，比如細(xì)胞內(nèi)的一些支架蛋白，轉(zhuǎn)錄因子，或者很多非酶類的蛋白。

       我們一般把這類目前無法通過傳統(tǒng)藥物研發(fā)手段干預(yù)的蛋白靶點叫做undruggable targets，也就是不具備成藥性的靶點。很多人不喜歡undruggable這個說法，因為如果真的無法干預(yù)的話，也就沒有研究的必要了。但目前來講確實很難針對這些靶點開發(fā)藥物。

       關(guān)于undruggable targets，很多人的第一反應(yīng)是KRAS

       但無論是對于生物技術(shù)公司，還是風(fēng)險投資機構(gòu)來講，這些所謂的不可能成藥的靶點中卻蘊含著無窮無盡的機會。在過去幾年間，制藥公司已經(jīng)在該領(lǐng)域投入了數(shù)億美金，來研發(fā)靶向這些靶點的藥物。

       這些制藥公司采取的策略多種多樣，很多是采用基于核酸類藥物的技術(shù)，比如反義寡核苷酸 (antisense oligonucleotides, ASOs) 或者RNAi技術(shù)，以及最近幾年比較火的CRISPR技術(shù)。這些技術(shù)通過敲除或者敲減，都有可能達(dá)到調(diào)節(jié)胞內(nèi)靶蛋白水平的目的。

       盡管這些技術(shù)在基礎(chǔ)研究中應(yīng)用非常廣泛，但開發(fā)成治療疾病的療法的過程中卻面臨著重重阻礙，比如核酸類藥物在血液中穩(wěn)定性比較差，可能具有免疫原性，可能在腎 臟中聚集等等。最近幾年，該領(lǐng)域又有一項很有意思的技術(shù)變得流行起來：誘導(dǎo)蛋白降解技術(shù)。

       小分子誘導(dǎo)蛋白降解與核酸類藥物、基因編輯、以及傳統(tǒng)的小分子藥物的作用機制有著非常明顯的差異，誘導(dǎo)蛋白降解相比這些技術(shù)也有著獨特的優(yōu)勢。

       誘導(dǎo)蛋白降解

       其實誘導(dǎo)蛋白降解也不是什么新概念，而且科研人員在很早之前就就已經(jīng)有了一些嘗試。

       熱休克蛋白90 (Hsp90) 能夠幫助蛋白正確折疊，Hsp90抑制劑在上世紀(jì)九十年代就已經(jīng)首次進入了臨床研究。由于Hsp90能夠在一系列腫瘤細(xì)胞生存所需蛋白的穩(wěn)定性維持中起到重要作用，因此很多科研人員認(rèn)為Hsp90抑制劑有可能被應(yīng)用于癌癥的治療。

       當(dāng)時HSP90抑制劑的研究熱度很高，但很多抑制劑具有嚴(yán)重的肝**，HSP90抑制劑的研究也經(jīng)歷了很多挫折，到目前為止還沒有任何一款Hsp90抑制劑獲批上市。

       而且更重要的是，Hsp90能夠參與人體內(nèi)一半以上激酶的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，因此通過這種非特異性的方式來影響蛋白穩(wěn)態(tài)，想要保證藥物達(dá)到足夠的安全性及有效性是非常不容易的。

       與Hsp90抑制劑這種非特異性的方式不同，選擇性雌激素受體降解藥物 ( SERDs) 以及選擇性雄激素受體降解藥物 (SARDs) 卻能夠?qū)崿F(xiàn)特異性的靶蛋白的降解。

       但有意思的是，這些小分子化合物最初是在開發(fā)蛋白功能的調(diào)節(jié)劑的過程中被發(fā)現(xiàn)的，一開始并不是為了實現(xiàn)目標(biāo)蛋白降解，只是后來無意中發(fā)現(xiàn)這些小分子能夠降解相關(guān)蛋白。

       類似SERDs/SARDs的藥物還有一些，但是由于這些藥物的發(fā)現(xiàn)過程并不是基于理性設(shè)計，這種無意中發(fā)現(xiàn)的作用機制并不具有普適性，難以應(yīng)用于其他靶點的藥物設(shè)計。

但在上世紀(jì)九十年代，Proteinex公司的科學(xué)家采用了一種非常有意思的方式來特異性地誘導(dǎo)蛋白降解。這種方式是基于細(xì)胞內(nèi)的泛素-蛋白酶體系統(tǒng)。

       大部分蛋白的正常降解過程是通過細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶體完成的，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)是真核細(xì)胞內(nèi)大部分蛋白周轉(zhuǎn)以及錯誤折疊蛋白清除的主要機制。這些蛋白被E3泛素連接酶識別之后被泛素化，之后被轉(zhuǎn)運至蛋白酶體內(nèi)降解成多個肽段。

       隨著蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)研究的不斷深入，一些科學(xué)家也開始嘗試?yán)梅核?蛋白酶體系統(tǒng)來實現(xiàn)靶蛋白的特異性降解。

       1999年，Proteinex公司的John Kenten團隊遞交了一項專利申請，以保護他們發(fā)現(xiàn)的能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)蛋白與泛素連接酶E3連接的雙功能分子。

       該雙功能分子包含泛素識別結(jié)構(gòu)以及靶蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)片段，使目標(biāo)蛋白泛素化并且誘導(dǎo)其降解。專利第一頁的圖片就很清楚的描繪了該類分子的作用機制 [1]。但Kenten當(dāng)時的老板對這項新技術(shù)并不感興趣，Kenten之后也離開了這家公司。

       也大概就是在那個時候，學(xué)術(shù)機構(gòu)的科學(xué)家，包括耶魯?shù)腃raig Crews以及加州理工的Raymond Deshaies發(fā)表了肽類的雙功能小分子，這些小分子能夠一定程度上誘導(dǎo)蛋白降解。他們把這類小分子叫做PROTAC, Proteolysis-TArgeting Chimeras 。

       雖然第一代的PROTACs能夠誘導(dǎo)靶蛋白泛素化，但這些化合物的細(xì)胞水平活性很差。這大概是由于肽的跨越細(xì)胞膜能力太差導(dǎo)致的。這些化合物并不具備類藥性，因此制藥公司對這些化合物并不感興趣。

       第二代的PROTACs很多是基于VHL的很短的氨基酸識別序列而設(shè)計的，并且一些化合物在結(jié)構(gòu)中引入了細(xì)胞穿透肽序列。但這也算不上是什么突破性的進展。這之后的幾年里該領(lǐng)域一直都沒什么人關(guān)注。

       對于藥物化學(xué)家而言，他們早已經(jīng)對小分子藥物的設(shè)計原則很熟悉。這樣的雙功能小分子并不符合之前藥物化學(xué)家對于小分子藥物的認(rèn)知，想讓他們接受這種化合物設(shè)計并不容易。

       雖然基于肽的PROTACs證明了該項技術(shù)有一定的潛力，至少in vitro的試驗是有活性的。但很明顯，基于肽的PROTACs還是有很多劣勢，設(shè)計完全基于小分子配體的PROTACs才是當(dāng)務(wù)之急。

       在2008年的時候，Crews組建了一個由化學(xué)家以及生物物理學(xué)家組成的團隊，試圖探索非肽類的PROTACs。在那年末，他們找到了一個使用nutlin配體能夠募集E3泛素連接酶的小分子，但這個化合物的活性太弱，并不能開發(fā)成藥物。隨后的幾年，他們又合成了幾百個小分子藥物，并且解析了很多蛋白晶體結(jié)構(gòu)。

       對于Crews實驗室來說，的挑戰(zhàn)的確是在于尋找合適的E3泛素連接酶配體。這并不是一個簡單的任務(wù)，找到這樣一個配體也意味著要干擾多個蛋白組成的復(fù)合物的相互作用，這是一個歷史性的難題。

       在2009年，當(dāng)時還是Crews實驗室的博士后的Alessio Ciulli開始嘗試解決這個問題，尋找合適的E3泛素連接酶小分子配體。而在Ciulli自己成立了自己的課題組之后，他依然在進行這項研究。

       在2012年初的時候，他們終于找到了一個VHL的小分子配體，這是這個誘導(dǎo)蛋白降解領(lǐng)域非常關(guān)鍵的一次勝利。也就使在那年，他們報道了基于VHL小分子配體的HaloPROTACs。

       也就使在這時候，制藥公司開始對誘導(dǎo)蛋白降解技術(shù)產(chǎn)生了興趣。GSK建立了自己的蛋白降解研究組，并開始與Crews實驗室合作。

       在2015年的時候，兩項新發(fā)現(xiàn)掀起了蛋白降解領(lǐng)域的狂潮。Dana-Farber Cancer Institute的一名化學(xué)生物學(xué)家的Bradner發(fā)表了一項重要研究，利用沙利度胺來結(jié)合一種泛素連接酶cereblon 。幾乎是在同時，Crews實驗室發(fā)表了自己的蛋白降解小分子 。

       這是兩項in vivo的研究，也預(yù)示著誘導(dǎo)蛋白降解時代的正式開啟。而且此時這項技術(shù)也引起了投資機構(gòu)的關(guān)注，這種有可能探索人類80-90%的蛋白靶點的技術(shù)投資人肯定不會放過。

       Crews在這之后成立了一家公司Arvinas來進行PROTACs技術(shù)的商業(yè)化。在2016年，Bradner 以及其他一些科學(xué)家成立了C4 Therapeutics。2017年Atlas投資的Kymera成立。

       這些公司很快與大型制藥公司建立了合作，默沙東，諾華，新基，GSK，武田，阿斯利康等一系列公司都開始在該領(lǐng)域布局。

       隨著大型制藥公司的入場，藥物化學(xué)家們也開始重新思考小分子的藥物設(shè)計。這些小分子藥物并不遵守Lipinski類藥五原則，比如誘導(dǎo)蛋白降解小分子的分子量太高，氫鍵的受體與供體太多。

       除了化合物的結(jié)構(gòu)看起來不招人喜歡，這些蛋白降解劑與傳統(tǒng)的小分子藥物在靶標(biāo)結(jié)合，選擇性，以及劑量等方面也存在明顯差異。

       對于PROTACs來說，分子與靶標(biāo)結(jié)合的緊密程度不是最重要的，最重要的是這些雙功能分子連接靶蛋白與E3泛素連接酶的速度。

       而且這類小分子藥物只要能夠與靶蛋白產(chǎn)生相互作用即可，并不需要像傳統(tǒng)的藥物那樣進入蛋白的結(jié)合腔并直接影響蛋白的功能。由于大約75%的蛋白缺乏傳統(tǒng)小分子抑制劑所需的活性位點，因此誘導(dǎo)蛋白降解技術(shù)相比傳統(tǒng)的小分子藥物研發(fā)模式有著巨大的優(yōu)勢。

       而且目前也已經(jīng)有很多證據(jù)表明，相比傳統(tǒng)的小分子藥物，PROTACs對于選擇性的要求并沒有傳統(tǒng)的小分子藥物那么高。

       新藥研發(fā)人員通常希望小分子藥物只結(jié)合靶蛋白，減少對其他靶點的影響，從而降低小分子藥物的脫靶效應(yīng)引起的毒副作用。但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一些選擇性并不高的小分子抑制劑在做成PROTACs之后能夠選擇性地誘導(dǎo)靶蛋白降解。

       雖然目前報道的誘導(dǎo)蛋白降解的小分子化合物作用的靶標(biāo)都是已知的靶點，Arvinas即將進入臨床研究的藥物作用靶點也是很成熟的靶點，但毫無疑問很多人非常相信這項技術(shù)的潛力。而且研究人員也在使用一系列的策略來尋找能夠結(jié)合難以應(yīng)對靶標(biāo)的小分子配體，比如利用基于NMR或者DNA編碼化合物庫的篩選方法來篩選能夠與靶標(biāo)產(chǎn)生結(jié)合作用的先導(dǎo)化合物。

       其實無論是細(xì)胞水平試驗還是動物模型試驗都已經(jīng)證明了PROTACs技術(shù)不僅僅會局限于一種化合工具，而將有比較大的可能性被開發(fā)成為藥物研發(fā)的一種新方式。

基于PROTACs的獨特性質(zhì)，這項技術(shù)將可能使我們能夠探索更廣闊的藥物靶點空間，使我們有能力征服那些一直被認(rèn)為是不具備成藥性的靶點。