2019年3月20日，Nature發(fā)文稱，基于蛋白水解靶向嵌合體（Proteolysis-TargetingChimeras，PROTACs）技術(shù)的蛋白降解劑可能將成為下一個重磅藥物。

       蛋白降解劑首次進入專利文獻是在1999年，當時來自生物技術(shù)公司Proteinix的研究人員John Kenten和Steven Roberts提交了一項小分子化合物的專利（查看專利：go.nature.com/2vyjf9l），該化合物可以利用泛素機制降解興趣蛋白（proteinof interest ,POI）。

       2年后，加州理工學院的Raymond Deshaies博士與耶魯大學的Craig Crews教授在PNAS雜志上[1]發(fā)表了類似的技術(shù)：利用基于肽的Protac-1誘導(dǎo)了靶蛋白2型蛋氨酸氨肽酶（MetAP-2）的降解。不過此時，Protac-1離成為一款藥還有很遠的路要走。

       一代PROTACs在人類細胞中活性較低，可能是因為這些基于大而笨重的肽起連接作用的化合物難以進入細胞。之后，Crews教授及其同事一直改進這一技術(shù)。到2008年，他們已經(jīng)放棄了基于肽的PROTACs技術(shù)，并設(shè)計出了基于E3泛素連接酶MDM2、可用于降解雄激素受體(AR)的小分子蛋白降解劑[2]。2012年，Crews教授等又報道了[3]結(jié)合泛素連接酶VHL（von Hippel–Lindaudisease tumour suppressor）的小分子PROTACs。這時，研究人員開始相信，PROTACs技術(shù)可能能夠成藥。

       2015年5月和6月是小分子PROTACs的爆發(fā)期。Crews教授和其他團隊分別發(fā)表了5篇描述小分子PROTACs具有有效藥樣活性的論文[4-8]。這些蛋白降解劑都能在培養(yǎng)皿細胞以及小鼠人類腫瘤中發(fā)揮作用。舉例來說，Crews教授等開發(fā)出一種結(jié)合VHL的PROTACs，使用該技術(shù)可使多種蛋白的水平降低超過90%[4]；而Georg E. Winter等在1篇Science論文中利用招募cereblon（CRBN）的PROTACs技術(shù)靶向了致癌蛋白BRD4，并延緩了小鼠白血病進展[5]

       突破：首個臨床試驗即將開展

       PROTACs技術(shù)看起來像啞鈴一樣。這一雙功能分子通過一個連接器（linker）連接興趣蛋白的配體以及E3泛素連接酶的招募配體。也就是說，PROTACs技術(shù)的一端與靶蛋白結(jié)合，另一端與E3泛素連接酶結(jié)合。E3泛素連接酶通過將一種叫做泛素的小蛋白貼在靶蛋白上將其標記為缺陷或受損蛋白。之后，細胞的蛋白 粉碎機（即，蛋白酶體）會處理掉被標記的靶蛋白。

       為了將基于PROTACs技術(shù)的蛋白降解劑推向臨床，2013年，Crews教授成立了Arvinas。經(jīng)過6年的研發(fā)，公司將在今年年中啟動候選藥物ARV-110治療前列腺癌的I期臨床試驗。試驗將納入28-36名患有轉(zhuǎn)移性前列腺癌的男性，持續(xù)約9個月。

       ARV-110是全球首個進入臨床試驗的蛋白降解劑，靶蛋白是AR。Crews教授等希望通過降解AR，PROTACs技術(shù)能夠治療那些無法獲益于現(xiàn)有藥物或?qū)@些藥物耐藥的患者。

       這一試驗至關(guān)重要，因為人們對蛋白降解劑能否在人類身上發(fā)揮作用存在相當大的懷疑。這與PROTACs的大小很有關(guān)系。因為，一個好的小分子藥物的大小通常是小于500道爾頓，但目前PROTACs的大小超過1000道爾頓。不過，大量研究顯示，這種大小的分子也能夠進入細胞。Crews教授懷疑，這是因為細胞可能將PROTACs識別成了2個小分子，而不是1個單分子。此外，來自多家公司的內(nèi)部分析表明，蛋白降解劑能夠很好地溶解，也能進入細胞，并且可以口服，在某些情況下甚至可以跨越血腦屏障。

       默沙東公司負責蛋白降解劑開發(fā)的Jason Imbriglio表示，業(yè)內(nèi)所有人都在屏息以待這一臨床試驗的結(jié)果。因為，它可能會真正改變?nèi)藗儗ROTACs技術(shù)能否成藥的看法。大家將密切關(guān)注第一梯隊蛋白降解劑在人體中的吸收、分布、代謝和排泄情況以及其在降低靶蛋白水平方面的效力如何。

       近幾年，包括Arvinas在內(nèi)的很多初創(chuàng)生物技術(shù)公司（如C4 Therapeutics、Kymera Therapeutics）致力于PROTACs技術(shù)的研發(fā)。諾華、安進、輝瑞、GSK、默沙東、羅氏、Biogen等多家制藥巨頭也在該領(lǐng)域進行了布局。

       除Arvinas外，包括諾華在內(nèi)的其它公司也有一些同類分子已經(jīng)接近臨床試驗，如Kymera公司靶向IRAK4的蛋白降解劑預(yù)計在明年上半年開展臨床試驗。

       優(yōu)勢：靶向不可成藥的靶點

       蛋白降解劑（多色）結(jié)合了1個靶蛋白（綠色）和1個E3泛素連接酶（藍色），驅(qū)動基于蛋白酶體（橙色）的靶蛋白泛素化(紫色)和降解。（圖片來源：Arvinas）

       PROTACs技術(shù)的優(yōu)勢之一是能夠使靶點從“無成藥性”（undruggable）變成“有成藥性”。大多數(shù)小分子藥物或單抗需要結(jié)合酶或受體的活性位點來發(fā)揮作用，然而，據(jù)估計，人類細胞中80%的蛋白缺乏這樣的位點。而PROTACs可以通過任何角落、縫隙抓住靶蛋白。

       考慮到該領(lǐng)域的競爭性，一些公司對他們正在研究的靶點守口如瓶，尤其是對以前無成藥性的靶蛋白。通過PROTACs技術(shù)靶向這些蛋白可能會在疾病治療中帶來前所未有的突破。

       用途：解決耐藥性問題

       不過，Arvinas公司的兩個主要候選藥物分別作用于AR和雌激素受體(ER)。這兩個靶點均已經(jīng)在臨床上獲得驗證，已有靶向AR和ER的藥物獲批上市。這種開發(fā)策略雖然保守，但也具有重要的臨床意義。以AR靶點為例，大多數(shù)接受AR拮抗劑恩雜魯胺治療的患者會因為癌細胞產(chǎn)生AR突變等情況產(chǎn)生耐藥性。而靶向AR的蛋白降解劑能夠有效催化多種蛋白結(jié)構(gòu)的完全降解，從而延緩耐藥性。

       基于PROTACs技術(shù)的蛋白降解劑抵抗耐藥性的這一優(yōu)勢在針對其它靶點的研究中也得到了驗證。2018年6月6日，我國科學家發(fā)表在Cell Research上[9]的一篇論文證實：體外實驗顯示，BTK蛋白降解劑能夠靶向降解C481S突變的BTK蛋白，克服B細胞惡性腫瘤對臨床一線藥物依魯替尼（全球首個獲批上市的BTK抑制劑）的耐藥性。清華大學藥學院饒燏教授是該研究的共同通訊作者。今年3月11日，饒燏教授等又在Nature子刊《白血病》[10]雜志上發(fā)表了體內(nèi)實驗的結(jié)果，研究表明，利用PROTACs技術(shù)降解多種突變型BTK蛋白能克服對依魯替尼耐藥的非霍奇金淋巴瘤（B細胞惡性腫瘤的一種）。

       據(jù)了解，饒燏教授在2015年正式開展PROTACs技術(shù)相關(guān)的研究。之所以會選擇靶向BTK，一方面是因為，BTK是一個非常重要的靶點，另一方面是因為，2014年NEJM雜志[10]曾報道了慢性淋巴細胞白血病患者對依魯替尼耐藥的現(xiàn)象。因此，團隊希望借助PROTACs技術(shù)解決明星抗癌藥真實臨床耐藥的問題。接下來，他們將進一步深入開展BTK降解劑的相關(guān)基礎(chǔ)研究工作。

       領(lǐng)域：不局限于治療癌癥

       盡管目前，大多數(shù)蛋白降解劑聚焦在癌癥領(lǐng)域，但這類新型藥物還有很多潛在的可用之地，如神經(jīng)退行性疾病。

       Arvinas公司已經(jīng)在靶向Tau（與阿爾茨海默癥相關(guān)的蛋白）的降解劑研發(fā)方面取得進展，并樂觀地認為，能夠?qū)⑦@類藥物推向臨床試驗（官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，注射靶向Tau的PROTACs技術(shù)到小鼠海馬體使該蛋白的水平降低了50%）。他們也在進行與帕金森病有關(guān)的α-突觸核蛋白降解劑的開發(fā)。此外，今年1月，C4 Therapeutics 和Biogen宣布合作開發(fā)治療阿爾茨海默癥和帕金森病的蛋白降解劑。

       升級：4大方向提升成藥性

       C4 Therapeutics CEO Andrew Phillips表示，2019至2021年將是PROTACs技術(shù)的關(guān)鍵年。對于在發(fā)展的關(guān)鍵時期，PROTACs技術(shù)可以從哪些方面進行升級，Crews教授在今年2月發(fā)表在DrugDiscovery Today：Technologies上的1篇綜述[12]討論了這一問題。他指出了4大方向：

       1）優(yōu)化PROTACs的設(shè)計、合成與評價：為了加速和簡化PROTACs的發(fā)現(xiàn)，必須揭示其發(fā)現(xiàn)原理，建立穩(wěn)定的評價平臺。

       2) 擴大可用E3泛素連接酶的范圍：E3泛素連接酶的選擇可以決定這類藥物開發(fā)的成敗。人類基因組中預(yù)計有超過600個E3泛素連接酶，但目前被驗證或用于PROTACs開發(fā)的只有幾個（主要是VHL、CRBN、MDM2和cIAP1，它們都具有與其結(jié)合的小分子配體）。因此，探索更多可用的E3泛素連接酶是未來工作的重點之一。

       PROTACs技術(shù)作用的靶點以及里程碑進展時間線（圖片來源：Drug Discovery Today：Technologies）

       3) 選擇和驗證靶點：靶點選擇是藥物研發(fā)中最重要的決定之一。盡管可以靶向無成藥性的蛋白，但并不是所有蛋白質(zhì)都能被PROTACs技術(shù)降解，如沒有或暫未發(fā)生配體的蛋白質(zhì)。因此，哪些是可配體的靶點(ligandable targets)是急需弄清一個問題。此外，對興趣靶點的早期驗證也非常重要。

       4) 靶向無成藥性的蛋白：迄今為止，大部分PROTACs技術(shù)靶向的蛋白是已經(jīng)被驗證可以成藥的靶點，而正如前文所說，PROTACs技術(shù)很有潛力挑戰(zhàn)傳統(tǒng)上認為不可成藥的靶蛋白，靶向這些蛋白更有顛覆某些疾病治療的可能性。

       前景：是否會爆發(fā)形勢樂觀

       雖然目前暫未有臨床數(shù)據(jù)發(fā)布，但該領(lǐng)域有理由保持樂觀。因為，2014年，有科學家發(fā)現(xiàn)，世界上最暢銷的藥物之一來那度胺（用于治療骨髓瘤）與蛋白降解劑的作用機理類似，可降解原被認為不可捉摸的兩種蛋白質(zhì)(IKZF1和IKZF3)[13][14]。

       事實上，在2015年小分子PROTACs引發(fā)熱潮后，Deshaies博士曾發(fā)表過一個觀點，他認為，PROTACs有潛力成為一種主要的新型藥物，且可能會超越有史以來最熱門的兩個藥物開發(fā)領(lǐng)域——蛋白激酶抑制劑和單克隆抗體。

       對于這一觀點，饒燏教授認為，每個藥物類型都有自己的優(yōu)勢，PROTACs的價值更多地應(yīng)該體現(xiàn)在解決蛋白激酶抑制劑和單克隆抗體不擅長或不能解決的問題，而不是在這兩類藥物已經(jīng)做得很好的地方花大力氣去超越。PROTACs技術(shù)能夠靶向傳統(tǒng)小分子和抗體無法作用的蛋白這一特性使這類蛋白降解劑具有在疾病治療空白區(qū)域體現(xiàn)價值的潛能。

       對于PROTACs技術(shù)未來是否會爆發(fā)，饒燏教授持樂觀態(tài)度，但他同時也指出，新藥研發(fā)“坑”太多，失敗率太高。作為新技術(shù)，PROTACs未來還有很多路要走。除了技術(shù)升級，為了走向臨床，科學界和工業(yè)界需要克服PK、PD、生物利用度、給藥方式等各方面的成藥性問題。任何一類藥物的研發(fā)都需要厚積薄發(fā)。只有更扎實的研究、更廣泛的投入才能幫助PROTACs真正成藥。不過，由于蛋白降解劑獨立于抗體和傳統(tǒng)的小分子藥物，因此，未來成長空間巨大、前景廣闊毋庸置疑。

       究竟PROTACs技術(shù)能否成為藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的游戲規(guī)則改變者，我們拭目以待。

       相關(guān)論文：

       [1]Kathleen M. Sakamoto et al. Protacs:Chimeric molecules that target proteins to the Skp1–Cullin–F box complex for ubiquitination and degradation. PNAS(2001).

       [2]Ashley R. Schneekloth et al. Targeted intracellular protein degradation induced by a small molecule: En route to chemical proteomics. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters(2008).

       [3]Dennis L. Buckley et al. Small‐Molecule Inhibitors of the Interaction between the E3 Ligase VHL and HIF1α. Angewandte Chemie International Edition(2012).

       [4]Daniel P Bondeson et al. Catalytic in vivo protein knockdown by small-molecule PROTACs. Nature Chemical Biology (2015).

       [5]Georg E. Winter et al. Phthalimide conjugation as a strategy for in vivo target protein degradation.Science(2015).

       [6]Michael Zengerle et al. Selective Small Molecule Induced Degradation of the BET Bromodomain Protein BRD4. ACS Chemical Biology(2015).

       [7]Dennis L. Buckley et al. HaloPROTACS:Use of Small Molecule PROTACs to Induce Degradation of HaloTag Fusion Proteins. ACS Chemical Biology(2015).

       [8]Jing Lu et al. Hijacking the E3 Ubiquitin Ligase Cereblon to Efficiently Target BRD4. Chemical Biology(2015).

       [9] Yonghui Sun et al. PROTAC-induced BTK degradation as a novel therapy for mutated BTK C481S induced ibrutinib-resistant B-cell malignancies. Cell Research(2018).

       [10] Yonghui Sun et al. Degradation of Bruton’s tyrosine kinase mutants by PROTACs forpotential treatment of ibrutinib-resistant non-Hodgkin lymphomas. Leukemia (2019).

       [11]Richard R. Furman et al. Ibrutinib resistance in chronic lymphocytic leukemia. NEJM(2014).

       [12]Mariell Pettersson et al. PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) — Past, present andfuture. Drug Discovery Today：Technologies(2019).

       [13]Jan Kr?nke et al. Lenalidomide Causes Selective Degradation of IKZF1 and IKZF3 in Multiple Myeloma Cells.Science(2014).

       [14]Gang Lu et al. The Myeloma Drug Lenalidomide Promotes the Cereblon-Dependent Destruction of Ikaros Proteins.Science(2014).

       參考資料：

       1# First targeted protein degrader hits the clinic

       2# Protein-slaying drugs could be the next blockbuster therapies

       3# 清華大學藥學院饒燏課題組在Cell Research發(fā)表關(guān)于利用新型蛋白質(zhì)靶向降解技術(shù)克服Ibrutinib耐藥的B細胞惡性腫瘤

       4# 饒燏課題組在自然子刊《Leukemia》發(fā)表利用PROTAC技術(shù)降解多種突變型BTK蛋白克服臨床藥物依魯替尼耐藥的非霍奇金淋巴瘤

       5# 新藥開發(fā)系列（十六）PROTAC前世今生和未來

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