药界新宠——LYTAC 与靶向蛋白降解技术
2020-12-14 来源:本站 点击次数:3913靶向蛋白降解 (TPD) 是一种有效性的，高度选择性的诱发蛋白降解方式。近年来，以 PROTAC 为代表的 TPD 技术的研究如火如荼。PROTAC 主要降解的是胞内蛋白，实际上，有 40% 的基因产物为胞外和膜相关蛋白，如生长因子、细胞因子和趋化因子，它们在多种疾病 (如癌症和炎症) 中引发异常信号传导。那么，有没有一种诱导胞外蛋白降解的技术来弥补 PROTAC 的这一局限呢？
PROTAC 是通过「清洁工」——泛素-蛋白酶体系统 (UPS) 来降解目标蛋白 (POI)，而此途径是胞内蛋白降解的主要途径，因此 PROTAC 主要降解胞内蛋白。泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体途径：是目前最主要的两条降解途径。这两条降解途径之间相互联系，具有协同和补偿作用。
溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC)
近日，来自斯坦福大学 Bertozzi 教授的研究团队在 Nature 上报道了一项靶向胞外蛋白的降解技术——溶酶体靶向嵌合体 (LYTAC)。并且证明 LYTAC 成功降解了表皮生长因子受体 (EGFR)、程序性死亡配体 1 (PD-L1) 和载脂蛋白 E4。斯坦福大学的研究人员还表明，在细胞中，LYTAC 可以靶向并降解阿尔茨海默症和癌症中的重要蛋白。继 PROTAC 之后，LYTAC 可能会成为另一个“爆款”。
图 1. LYTAC 作用机制[3]
LYTAC 含有两个结合域，一个寡糖肽基团 (Oligoglycopeptide group) 和一个能与目标蛋白质结合的抗体或小分子，两者用 Linker 连接。寡糖肽基团在细胞表面与跨膜受体 CI-M6PR 结合，所得复合物被细胞膜吞没，形成运输囊泡，并在 CI-M6PR 作用下将复合物转移至溶酶体降解，而受体 CI-M6PR 可循环利用并回到细胞膜 (如图 1)。例如通过使用抗 EGFR 单克隆抗体 Cetuximab 与 CI-M6PR 配体 M6Pn 糖多肽缀合构建 LYTAC Ab-2 来降解 EGFR。
另外，在去年六月份，PROTAC 先驱、耶鲁大学的 Crews 小组在 ACS Central Science 杂志上发表了另一项胞外蛋白降解技术——内源性嵌合体 (ENDTAC)。但该文章由于无法重现数据，已经于今年年初撤回。
不论是 LYTAC 还是 ENDTAC，都需要研究者继续探索，推动靶向胞外蛋白蛋白技术的进一步发展。
当然，“蛋白降解家族”可不止 PROTAC，LYTAC 两个成员，还有很多其他的新兴靶向蛋白技术，如光控靶蛋白降解 (photo-PROTAC)、分子胶 (Molecular Glue)，自噬介导的靶蛋白降解 (AUTAC)、利用 TRIM21 E3 连接酶靶向降解蛋白的 Trim-Away，基因编码降解剂 (BioPROTAC) 等，这些技术不仅扩展了蛋白降解的途径，同时提升了蛋白降解的精确度。
■ PROTAC 与 PhotoPROTAC：
在之前的文章中给大家介绍过 PROTAC 下面来画一下重点吧。
PROTAC 一直是靶向蛋白降解家族的代表。
1、由三部分组成的双功能杂交化合物：靶蛋白配体+Linker+E3 泛素连接酶配体 (图 2)。
2、通过泛素-蛋白酶体系统靶向降解蛋白：PROTAC 可以与 E3 泛素连接酶和靶蛋白结合，诱导形成三元复合物，导致多聚泛素化并随后降解靶蛋白。PROTAC 可以回收继续利用 (图 2)。
3、不仅具有靶向“不可成药”蛋白的潜力，并且能够在低浓度下有效诱导蛋白质降解。PROTAC 还能靶向突变蛋白，克服小分子抑制剂耐药性的问题。
图 2. PROTACs 的作用机制[6]
就在今年 7 月，PROTAC 先驱 Crews 小组又在 ACS Central Science 发表了首个具有细胞活性的靶向降解 KRAS G12C 突变的 PROTAC 分子 LC-2。LC-2 由 MRTX849 与 VHL E3 连接酶配体连接组成，并在多种癌细胞系中诱导快速且持续的 KRAS G12C 降解。
与大多数小分子抑制剂主要阻断目标酶的催化活性不同，PROTACs 旨在降解目标蛋白。这种特性提供了优势的同时也有潜在的弊端，当全身给药时，它可能会导致正常细胞中的目标蛋白不受控制的降解，产生非特异性毒性。而光控开关 PROTACs 正是在 PROTAC 上添加一个可控的开关，使它在黑暗中无活性，特定波长的可见光下会被激活，降解目标蛋白。因此，光控开关 PROTACs 能够在癌细胞或组织中激活，在时间和空间上精准地控制靶向蛋白降解，消除潜在的非特异性毒性。
图 3. opto-pomalidomide 以 UVA 依赖的方式降解目标蛋白模式图[10]
今年年初 Science Advances 上的两篇背靠背文章，分别发表了关于光控的精准时空激活的 PROTAC。其中哈佛医学院和西奈山医学院研究团队设计了 opto-PROTACs。他们通过在泊马度胺 (Pomalidomide) 上添加一个对光不稳定的 Caging 基团，暂时阻止 Pomalidomide 与 E3 连接酶 CRBN 的相互作用，之后利用紫外线 A (UVA) 照射，opto-pomalidomide 分子以时间依赖性方式进行光解，从笼状 (Caged) 状态中解开，并成功介导 IKZF1/3 降解。他们据此原理设计的光控 opto-dBET1 以及 opto-dALK 也都分别成功介导了 BRD 蛋白和 ALK 融合蛋白的降解 (图 3)。
图 4. PHOTAC 的示意图分子经照射后在非活性形式 (蓝色五边形) 和
活性形式 (黄色星形) 之间切换[11]
同样的，纽约大学的研究团队开发的靶向 BET 蛋白 (BRD2/3/4) 或 FKBP12 的光开关 PHOTAC 分子，也证明了光控的精准时空激活的有效性 (图 4)。
■ 分子胶 (Molecular Glue)：
分子胶是一类诱导或稳定蛋白之间相互作用的小分子化合物，通过结合 E3 泛素连接酶并修饰其分子表面，诱导新的蛋白质间相互作用 (正常情况下两者原先没有相互作用)，并在连接酶的作用下，导致蛋白降解 。沙利度胺 (Thalidomide) 及类似物泊马度胺 (Pomalidomide) 和来那度胺 (Lenalidomide) 是一类免疫调节类药物 (IMiDs)，也是典型的分子胶，它们可对 CRBN 进行修饰，形成新的蛋白间相互作用, 降解几种锌指转录因子，如形成 CRBN-IMiDs-IKZF1，随后降解 IKZF1 (图 5)。
图 5. IMiDs 与 CRL4 E3 连接酶底物受体 CRBN 结合，
为泛素化和蛋白酶体降解募集底物[12]
到目前为止，除 CRBN/IMiD 分子胶之外，分子胶的设计构想仍依赖偶然的发现，包括通过系统地挖掘数据库得到的 CDK 抑制剂 CR8 分子，以及优化 MDM2 双功能降解剂 MD-222 得到的 MG-277 。
■ 自噬介导的靶向蛋白质降解 (AUTAC)：
自噬靶向嵌合体 (AUTAC)，顾名思义，是一种利用自噬机制的降解剂，能够降解目标蛋白以及受损的细胞器，例如受损的线粒体。AUTAC 由一个模仿 S-guanylation (即，鸟嘌呤衍生物) 的降解标签和目标蛋白配体通过 Linker 组成。S-guanylation 是一种翻译后修饰，可通过诱导 K63 多泛素化来标记选择性自噬的目标蛋白。因此，目标蛋白被自噬受体 SQSTM1/p62 识别，并被募集到选择性自噬途径进行降解 (图 6)。
图 6. AUTAC 作用机制[15]
■ TRIM-Away 技术：
Trim-Away，一种在细胞内快速降解目标蛋白的新技术。它利用内源性泛素连接酶 TRIM21 识别抗体的 Fc 区来降解蛋白抗体复合物。TRIM21 是一种 E3 泛素连接酶，可与抗体的 Fc 结构域高亲和力结合。
在典型的 Trim-Away 中，蛋白质降解可通过三个步骤完成：第一，引入靶向目标蛋白质的抗体；第二，将内源或外源/过表达的 TRIM21 募集至抗体结合的目标蛋白处；第三，蛋白酶体介导目标蛋白，抗体和 TRIM21 复合物的降解 (图 7)。
相比于 DNA 敲除和 RNA 干扰等方式破坏靶蛋白，Trim-Away 不需预先修饰基因组或 mRNA 即可急性降解内源蛋白，而且 Trim-Away 在几分钟内就能去除靶蛋白，这种快速性可以最大程度地减少补偿机制以及继发性等。
图 7. TRIM-Away 机制图[5]
除上述提及到的靶向蛋白降解技术外，另外还有 BioPROTAC 靶向蛋白降解技术，它基于基因编码直接将肽或抗体模拟物与 E3 连接酶融合，通过肽或蛋白识别域结合并降解目标蛋白。由于 BioPROTAC 依赖于基因编码，因此存在一定的局限性。
结语
靶向蛋白降解技术的前途十分光明。尽管靶向蛋白降解技术存在一些悬而未决的问题和挑战，例如，如何改善 PROTAC 分子的整体药代动力学特性，S-guanylation 介导的 K63 泛素化的具体分子机制是怎样的，能否利用 AUTAC 来降解 COVID-19 的关键蛋白等。但毫无疑问，靶向蛋白降解技术填补了靶向“不可药物”蛋白的空白，并提供了基于药物化学的新的治疗途径。同时，靶向蛋白降解技术一般是将小分子药物设计成为一种新型的药物，这无疑也为小分子药物的用途提供了广阔的思路。
相关产品
PROTACs
MCE 收录了 100+ 种 PROTAC 降解剂以及各类 PROTAC 组分。PROTAC 降解剂：包括靶向 BET、STAT、MDM2、CDK、ER 、AR 等；PROTAC 组分包括 PEGs, Alkyl-Chain 和 Alkyl/ether 在内的 2000+Linker, 多种 E3 连接酶配体以及 E3 连接酶配体-Linker 偶联物，多种靶蛋白配体以及靶蛋白配体-Linker 偶联物。
CR8/(R)-CR8
有效的 CDK 抑制剂。作为分子胶来降解细胞周期素 K。
MG-277
分子胶降解剂，有效地诱导翻译终止因子 GSPT1 的降解，DC 50 为 1.3 nM。
Lenalidomide
Thalidomide 的衍生物，一种泛素 E3 连接酶 cereblon 的配体，可通过 CRBN-CRL4 泛素连接酶对两种淋巴转录因子 IKZF1 和 IKZF3 进行选择性泛素化和降解。
Pomalidomide
第三代免疫调节剂，与 E3 连接酶 cereblon 相互作用，可诱导 IKZF1 和 IKZF3 蛋白的降解。
Thalidomide
抑制 cereblon，Kd 约为 250 nM，具有免疫调节、抗炎、抗肿瘤作用。
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缩写：
TPD：Targeted protein degradation
CI-M6PR：Cation-independent mannose-6-phosphate receptor
POI：Protein of interest
参考文献：
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