近年來，蛋白質(zhì)靶向降解技術(shù)，尤其是通過蛋白質(zhì)降解靶向嵌合體（PROTACs，Proteolysis Targeting Chimeras）實現(xiàn)的靶向蛋白降解，展現(xiàn)出了巨大的治療潛力。PROTAC是一種能夠誘導(dǎo)目標蛋白降解的雙功能分子，它們由三個基本模塊組成：一個靶向特定蛋白質(zhì)的配體、一個與E3連接酶結(jié)合的配體，以及一個連接這兩者的“連接子”（linker）。通過這些組成部分，PROTAC可以誘導(dǎo)靶蛋白和E3連接酶形成三元復(fù)合物，從而引發(fā)目標蛋白的泛素化（ubiquitination），并最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)通過26S蛋白酶體降解。
這篇綜述文章聚焦于E3連接酶配體化學的發(fā)展，特別是小分子E3配體的設(shè)計與合成。通過對這些配體的詳細介紹，文章為PROTAC領(lǐng)域的研究人員提供了設(shè)計與開發(fā)新型蛋白質(zhì)降解劑的化學基礎(chǔ)。
E3連接酶的作用與潛力
E3連接酶是泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（UPS，Ubiquitin-Proteasome System）中的關(guān)鍵酶類，在靶向蛋白的選擇性降解中起著決定性作用。UPS系統(tǒng)是細胞中主要的蛋白質(zhì)降解機制，其核心作用是通過E1激活酶、E2連接酶和E3連接酶的協(xié)調(diào)作用，將泛素分子連接到目標蛋白上，標記其進行蛋白酶體降解。E3連接酶負責識別特定的底物蛋白，并將泛素轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基上。這種特異性使得E3連接酶在靶向蛋白降解領(lǐng)域中占據(jù)了重要地位。
在人類基因組中，已經(jīng)鑒定出600多種E3連接酶，它們通過特異性識別不同的底物來調(diào)控多種細胞過程。然而，盡管E3連接酶的種類繁多，但當前用于PROTAC技術(shù)的大部分研究集中在少數(shù)幾種連接酶上，特別是cereblon（CRBN）、von Hippel–Lindau（VHL）和抑制性凋亡蛋白（IAP）等。這些E3連接酶具有較強的小分子結(jié)合能力，且其配體合成相對成熟，因而成為當前PROTAC設(shè)計的主要目標。
圖1.本綜述涵蓋的不同E3配體和主題
然而，未開發(fā)的E3連接酶仍然擁有巨大的潛力。隨著越來越多的小分子E3配體被發(fā)現(xiàn)，研究者們正試圖將PROTAC技術(shù)擴展到更多類型的E3連接酶，以覆蓋更廣泛的靶蛋白。文章中提到，探索新型E3連接酶配體將有助于擴展PROTAC技術(shù)的應(yīng)用范圍，并且通過更廣泛的配體庫，研究者們可以開發(fā)出更加精準和特異的蛋白質(zhì)降解劑。
PROTAC技術(shù)的發(fā)展歷程
PROTAC技術(shù)的概念最早于2001年由Sakamoto等人提出，當時他們使用了一個與Skp1-cullin 1-F-box E3連接酶復(fù)合體相結(jié)合的磷酸肽配體，成功實現(xiàn)了靶標蛋白甲硫氨酸氨肽酶-2（MetAP-2）的降解。盡管這一概念證明了靶向蛋白降解的可行性，但早期的PROTACs大多是肽類分子，其穿膜性較差，代謝穩(wěn)定性低，因而未能進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
2008年，首 個基于小分子的PROTAC問世，通過nutlin-3a衍生物成功劫持了MDM2 E3連接酶。這是PROTAC技術(shù)發(fā)展的一個里程碑，因為小分子E3配體相較于肽類分子具有更好的藥物代謝性質(zhì)，且合成更加簡單。這一突破激發(fā)了人們對小分子E3連接酶配體的廣泛興趣。
在隨后的十多年中，隨著越來越多的非肽類E3配體的發(fā)現(xiàn)，PROTAC技術(shù)逐漸成熟。尤其是針對VHL和CRBN的配體的開發(fā)，使這兩種E3連接酶成為當前研究的焦點?；?strong>PROTAC的蛋白降解技術(shù)不僅能夠靶向“不可成藥”的蛋白質(zhì)，還能夠通過選擇不同的E3連接酶實現(xiàn)組織或細胞類型的特異性靶向。
圖2.新型CRBN結(jié)合支架的合成及其與示例性PROTAC 的結(jié)合
CRBN配體的化學設(shè)計
Cereblon（CRBN）最早因沙利度胺（thalidomide）而被人們關(guān)注。沙利度胺是一種曾經(jīng)廣泛用于鎮(zhèn)靜的藥物，后因其致畸性被市場禁用。然而，到了20世紀90年代，研究者們發(fā)現(xiàn)沙利度胺及其類似物具有抗腫瘤和免疫調(diào)節(jié)的作用。其后來的研究表明，沙利度胺及其衍生物通過結(jié)合CRBN并招募其為E3連接酶發(fā)揮藥理作用。這個發(fā)現(xiàn)揭示了IMiD類藥物（Immunomodulatory imide Drugs）的潛在應(yīng)用，包括來那度胺（lenalidomide）和泊馬度胺（pomalidomide）。
在PROTAC設(shè)計中，IMiD類配體被廣泛用于劫持CRBN連接酶以實現(xiàn)靶標蛋白的降解。研究者們通過一系列有機合成方法對這些配體進行了結(jié)構(gòu)修飾，以提高其穩(wěn)定性和結(jié)合特異性。文章中詳細介紹了幾種關(guān)鍵的CRBN配體合成方法：
● 核親取代反應(yīng)（SNAr）：這種反應(yīng)可以通過在IMiD分子上引入不同的取代基，調(diào)控其與目標蛋白和CRBN的結(jié)合親和力。常見的取代位點包括4位和5位的氟化衍生物。
● 烷基化反應(yīng)：通過烷基化修飾，研究者能夠提高CRBN配體的細胞膜穿透性，并優(yōu)化其與目標蛋白的相互作用。
● Mitsunobu反應(yīng)：這種反應(yīng)允許在分子末端引入特定的基團，使其能夠更好地結(jié)合目標蛋白。
這些化學修飾極大地拓展了CRBN配體在PROTAC設(shè)計中的應(yīng)用，使得PROTACs不僅能夠靶向多種腫瘤相關(guān)蛋白，還能夠應(yīng)用于自身免疫性疾病的治療。特別值得一提的是，CRBN配體的進一步優(yōu)化正在推動多種PROTAC藥物進入臨床開發(fā)階段，如ARV-110和ARV-471，分別用于治療前列腺癌和乳腺癌。
其他E3連接酶配體的化學策略
盡管CRBN和VHL是當前研究中最常見的E3連接酶，但其他E3連接酶的配體設(shè)計也同樣具有重要意義。文章詳細討論了針對其他E3連接酶的配體合成策略，包括：
● 金屬催化反應(yīng)：如Heck反應(yīng)和Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)等，允許在E3配體上引入更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)修飾，從而提高其與目標蛋白的結(jié)合親和力。
● 氨基酸衍生化：通過使用天然或非天然氨基酸作為起始材料，研究者可以合成出具有不同功能基團的E3連接酶配體，從而實現(xiàn)特異性調(diào)控。
此外，文章還討論了羧胺衍生物和羧基化合物在PROTACs設(shè)計中的應(yīng)用。這些化合物的引入有助于提高配體與靶標蛋白的結(jié)合穩(wěn)定性，尤其是在涉及到長鏈連接子的情況下，這些化學修飾顯得尤為重要。通過結(jié)合不同的合成路徑，研究者能夠靈活調(diào)整PROTAC的物理化學性質(zhì)，從而實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
PROTACs的應(yīng)用前景
PROTAC技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，尤其是在治療難以靶向的蛋白質(zhì)方面。例如，許多腫瘤相關(guān)蛋白由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因難以被觸達，PROTAC技術(shù)很顯然給了我們一個新的解法。
參考文獻：
Chem Soc Rev. 2022 May 10;51(9):3487-3534. doi: 10.1039/d2cs00148a.
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