蛋白降解剂「图鉴」:12大技术,引领下一轮新药研发浪潮
The following article is from 医药魔方Pro Author 曼话
自2019年3月首款PROTAC分子进入临床开发以来,短短3年多的时间,靶向蛋白降解(Targeted Protein Degradation,TPD)领域飞速发展,一方面,全球有多个PROTAC、分子胶项目进入临床,且部分领先项目已经多次披露临床研究数据;另一方面,新技术层出不穷,致力于LYTAC、ATTEC、ATAC、AUTOTAC等新技术开发的Biotech公司均受到了资本青睐。
靶向蛋白降解也是BioBAY重点招商方向之一。目前在园内,有百济神州、开拓药业、亚盛医药等多家企业已率先布局该赛道。今日为大家理一篇《医药魔方Pro》的文章,盘点了近几年取得重要研究进展的靶向蛋白降解技术,主要包括作用机制、代表性公司、全球研发现状等内容,以飨读者。
不同的靶向蛋白降解技术
一、基于蛋白酶体的蛋白降解技术
这两条路径相互独立,但又相互联系。一般来说,蛋白酶体通过泛素-蛋白酶体系统(UPS)消除短期存在的蛋白和可溶性错误折叠蛋白。相反,溶酶体负责通过内吞、吞噬或自噬途径降解长期存在的蛋白、不可溶蛋白聚集物、甚至整个细胞器、巨分子化合物和细胞内寄生生物(如某些细菌)。首先,我们介绍基于蛋白酶体开发出的靶向蛋白降解剂(TPD)。
▌PROTAC
代表性公司:Arvinas、Kymera、C4、Nurix、海思科、开拓药业、百济神州、海创药业等
PROTACs是一种由E3连接酶结合物(binder)、Linker以及靶蛋白结合物(binder)组成的异双功能分子。具体来说,PROTACs分子的一端与靶蛋白结合,另一端与E3泛素连接酶结合。而E3泛素连接酶可通过将一种叫做泛素的小蛋白贴在靶蛋白上将其标记为缺陷或受损蛋白。之后,蛋白酶体会降解被标记的靶蛋白。
PROTAC全球研发概览及热门靶点
PROTAC发展至今已有20余年,其发展历史可以查看《颠覆性PROTACs技术迎来突破,蛋白降解剂将成下一个重磅药物?》一文。据医药魔方NextPharma数据库,目前全球有超160个PROTAC项目在研,近20款项目已经处于临床开发阶段,走在第一梯队的公司包括 Arvinas、Kymera、C4 Therapeutics、Nurix Therapeutics、海思科、开拓药业、百济神州、海创药业等,目前竞争比较激烈的靶点包括AR、BTK、BET、ALK、EGFR等。
▌分子胶
技术全称:Molecular Glue代表性公司:Monte Rosa Therapeutics、标新生物等
PROTAC和分子胶示意图
分子胶降解剂是一类可诱导E3泛素连接酶底物受体与靶蛋白之间新型相互作用,从而导致靶蛋白降解的小分子。沙利度胺类抗癌药物是分子胶的一个显著例子,这类药物可重定向E3泛素连接酶CRL4CRBN,从而使转录因子IKZF1和IKZF3多聚泛素化,导致IKZF1和IKZF3被蛋白酶体降解。类似地,抗癌磺胺类药物indisulam可引导E3泛素连接酶CRL4DCAF15降解剪接因子RBM23和RBM39。
尽管目前还未形成像PROTAC一样的研发规模,但全球已有多家公司加入分子胶研发的浪潮,进展最快的项目处于I/II期临床,代表性的初创公司有Monte Rosa Therapeutics、标新生物等。国内分子胶领域的其他玩家还包括诺诚健华、达歌生物、康朴生物、格博生物、奥瑞药业等。
值得一提的是,2022年,分子胶领域融资热度上升,有多家致力于分子胶开发的公司宣布融资,除了国内的格博生物、奥瑞药业,还包括Plexium、TRIANA Biomedicines、Ambagon Therapeutics等;此外BMS、默克等制药巨头均宣布了分子胶相关大额合作。预计未来几年,分子胶领域还会得到更多的支持。
技术全称:Chaperone-mediated Protein Degradation/Degrader,分子伴侣介导的蛋白降解剂
代表性公司:珃诺生物(Ranok Therapeutics)
分子伴侣(Chaperone)又称侣伴蛋白,参与一半以上的哺乳动物蛋白的折叠。分子伴侣包含许多不同的家族,如HSP60家族、HSP70家族、HSP90家族等,每个家族以不同的方式帮助蛋白质折叠。
除了参与蛋白质折叠,在某些情况下,分子伴侣还可以识别错误折叠的蛋白质,并引导它们通过泛素-蛋白酶体系统(UPS)降解。一些分子伴侣,如热休克蛋白90 (HSP90),可直接与许多不同的E3泛素连接酶相互作用,从而辅助蛋白质降解完成,阻碍错误折叠的蛋白质的正常定位,防止它们干扰细胞的正常功能。
CHAMP示意图
三种不同的溶酶体途径
在细胞中,有三种不同的溶酶体途径可以实现蛋白降解:
1)细胞表面蛋白通过内吞作用(endocytosis)到达溶酶体,之后,这些蛋白可以被溶酶体降解,也可以被输送到质膜或其他细胞器中循环利用。
2)在吞噬途径中(phagocytic pathway),细胞吞噬细胞外的大颗粒,如入侵的病原体和死亡的细胞,然后通过溶酶体降解。
3)错误折叠或聚集的蛋白质、受损的细胞器和细胞内的病原体通过自噬溶酶体途径(autophagy–lysosome pathway)被清除。其中,自噬有三种不同的形式,包括巨自噬(macroautophagy)、微自噬和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediatedautophagy,CMA)。
在巨自噬中,功能失调的蛋白或细胞器被自噬受体识别并选择性地封闭在自噬体中,之后,自噬体与溶酶体融合,其内容物被降解。在微自噬中,溶酶体直接吞下自噬的货物并导致其降解。在CMA中,分子伴侣会选中目标蛋白,直接跨越溶酶体膜进行降解。CMA有两个独特的特点:首先,CMA只降解某些蛋白质,而不降解细胞器;第二,自噬体的形成在CMA中是不必要的。
依赖于溶酶体的靶向蛋白降解策略概览
随着对不同溶酶体降解途径的深入研究,科学家们开发出了多种多样的新型蛋白降解技术,包括LYTAC、ATAC、AbTAC、GlueTAC、AUTAC、ATTEC、AUTOTAC等。值得一提的是,相比只能降解某些细胞内蛋白的基于蛋白酶体的靶向蛋白降解技术,基于溶酶体的靶向蛋白降解技术具有清除蛋白质聚集物、损坏的多余细胞器、膜蛋白和胞外蛋白质的潜力,因此,这些技术的临床开发非常值得期待。
技术全称:Lysosome-Targeting Chimaeras,溶酶体靶向嵌合体
代表性公司:Lycia Therapeutics
LYTAC作用机制
LYTAC的作用机制
开发LYTAC的代表性公司是Lycia Therapeutics。该公司成立于2019年,总部位于旧金山,由Versant Ventures推动创立,目前已累计融资1.2亿美元。去年8月,Lycia宣布与制药巨头礼来达成了为期数年的研究合作和许可协议,双方将利用Lycia专有的LYTAC技术开发和商业化针对多达5个靶点的新型降解剂,重点疾病领域包括免疫和疼痛。根据协议条款,Lycia将获得3500万美元的预付款,此外还有资格获得超过16亿美元的潜在里程碑付款以及未来的销售分成。目前,Lycia还未公开任何管线,期待2022年会有具体项目公布。
▌ATAC
技术全称:ASGPR Targeting Chimeras,去唾液酸糖蛋白受体靶向嵌合体
代表性公司:Avilar Therapeutics
来源:Avilar
提出ATAC概念的是一家名为Avilar Therapeutics的公司,去年11月,该公司宣布从创始投资者RA Capital Management获得了6000万美元的种子融资。Avilar的目标是靶向致病细胞外蛋白,拓宽蛋白降解剂的靶点边界。
GalNAc-LYTAC及MoDE-A技术示意图
▌BIAC
技术全称:Bispecific Aptamer Chimera,双特异性适体嵌合体
双特异性适体嵌合体的作用机制与LYTAC类似,通过核内体-溶酶体途径介导POI的降解。不同的是,双特异性适体嵌合体利用DNA适体靶向CI-MPR和跨膜POI。2021年2月,来自上海交通大学等机构的研究人员设计出了第一个双特异性适体嵌合体分子,命名为A1-L-A2,其中A1和A2特异性结合CI-MPR和一个POI,L代表linker DNA。研究表明,A1-L-A2可以将膜蛋白,如受体酪氨酸激酶MET和PTK-7,运送到溶酶体进行降解。同时,这一适体嵌合体对非靶向蛋白水平没有显著影响。与抗体相比,核酸适体具有制备简单、合成精确、稳定性好等优点,因此,是一类值得期待的技术。
双特异性适配体嵌合体(BIAC)示意图
技术全称:Antibody-based PROTAC,基于抗体的PROTAC
AbTAC示意图
▌GlueTAC
GlueTAC示意图
▌AUTAC
技术全称:Autophagy-Targeting Chimera,自噬靶向嵌合体
AUTAC示意图
▌ATTEC
技术全称:Autophagosome-Tethering Compound,自噬体绑定化合物
代表性公司:PAQ Therapeutics(济景医药)
与基于自噬的AUTAC技术类似,ATTEC通过将POI绑定到自噬体上发挥作用。具体来说,ATTEC既可以与自噬体的关键蛋白LC3结合,也可与POI结合。在自噬过程中,关键蛋白LC3被脂化后聚合扩增,形成膜结构,并将蛋白、脂类、细胞器等降解目标包裹于其中,形成完整的自噬体,与溶酶体融合后,其中包裹的物质得以降解。
ATTEC及AUTOTAC示意图
2019年10月发表于Nature上的一项研究中,复旦大学鲁伯埙教授团队开发了一种ATTEC分子,既可以与LC3结合,也可以与突变的亨廷顿蛋白(mHTT)结合,从而将靶蛋白绑定至自噬小体进行降解。2021年发表在Cell Research杂志上的另一篇论文证实,ATTEC技术还能够降解细胞内储存脂肪的一种细胞器——脂滴(脂滴的过分储积可能与多种疾病相关,比如肥胖、非酒精性脂肪肝、神经退行性疾病等),实现了靶向降解技术从蛋白向非蛋白物质的突破。
基于ATTEC技术,一家名为PAQ Therapeutics(济景医药)的公司已经成立,鲁伯埙教授是联合创始人之一。2021年7月,PAQ Therapeutics完成了3000万美元的A轮融资,公司最初专注于开发遗传性中枢神经系统疾病的治疗药物,后续计划拓展到其他蛋白和非蛋白靶点来用于治疗肿瘤、代谢病等多种重大疾病。
技术全称:Autophagy-Targeting Chimera,自噬靶向嵌合体
代表性公司:AUTOTAC Bio
自噬货物受体p62/SQSTM1在多泛素化货物和自噬小体之间起桥梁作用。多泛素化的货物与p62的UBA结构域结合,导致p62构象变化。这种构象的改变暴露了p62的LIR基序,并促进其与LC3在自噬膜上的相互作用。
2022年2月,来自韩国的一个科学家团队在Nature Communications 上发表的一篇论文提出了AUTOTAC技术。AUTOTAC分子由一个与p62的ZZ域相互作用的模块和一个POI靶向模块组成。AUTOTAC的作用是连接POI和p62,不依赖于POI的泛素化。AUTOTAC促进p62的寡聚和活化,导致POI通过自噬-溶酶体途径降解。AUTOTAC不仅能介导单体蛋白的靶向降解,还能介导有聚集倾向的蛋白的降解。
利用表达人类病理tau突变体的小鼠模型,研究者们证明AUTOTAC能够有效地去除错误折叠的tau。相比之下,以蛋白酶体为基础的技术,如PROTAC和分子胶,在处理错误折叠的蛋白质方面通常是无效的。除Tau外,AUTOTAC还能有效去除多种癌蛋白,如降解雄激素受体(AR)。
AUTOTAC技术作用机理
开发AUTOTAC技术的代表性公司是AUTOTACBio,总部位于韩国首尔。公司CEO Yong Tae Kwon博士是上述论文的共同通讯作者。目前,该公司布局了神经退行性疾病(如AD)、癌症、代谢综合征、肌肉萎缩症等多种疾病领域,且已经搭建了丰富的管线。
▌CMA-based degrader
在分子伴侣介导的自噬(CMA)中,热休克蛋白70(HSC70)识别具有KFERQ序列的可溶性蛋白底物。之后,HSC70-底物复合物与溶酶体膜上的溶酶体相关膜蛋白2A(LAMP2)结合,底物转运到溶酶体腔内进行降解。
CMA-based degrader示意图
小 结
过去几年,靶向蛋白降解(TPD)可以说是科学界和产业界最有活力的研究领域之一,新技术层出不穷,工具箱大大丰富,为药物开发打开了新大门。
表1 部分处于临床开发阶段的PROTAC
来源:NextPharma;数据截至2022-06-02
利用溶酶体降解途径的TPD技术在过去几年也迅速发展,包括用核内体-溶酶体途径降解胞外蛋白和膜蛋白的LYTAC、Bispecific Aptamer Chimeras、AbTAC和GlueTAC技术,以及利用自噬-溶酶体途径来降解错误折叠蛋白、蛋白质聚集体或受损细胞器的AUTAC、ATTEC、AUTOTAC等技术。相对于PROTAC和分子胶,基于溶酶体降解途径的TPD技术的发展仍处于起步阶段。关于每种技术的具体机制,我们还有很多需要了解。溶酶体作为一种重要的细胞内细胞器,除了蛋白质降解外,还调节许多重要的细胞和生理功能,如代谢和稳态。目前尚不清楚“劫持”溶酶体降解途径是否会影响整个机体,因此,进一步表征基于溶酶体降解途径的TPD技术是必要的。
值得一提的是,除了前文总结的基于不同机制的蛋白降解技术,基于PROTAC、分子胶的改造技术也在不断产生,如标签靶向蛋白降解剂(tag-Targeted Protein Degrader,包括NanoTAC、dTAG、HaloPROTAC等)、抗体降解剂偶联物(Antibody neoDegrader Conjugate, AnDC)、半导体聚合物纳米PROTAC(semiconducting polymer nano-PROTAC, SPNpro)等。此外,RNA降解技术,如核糖核酸酶靶向嵌合体(Ribonuclease-Targeting Chimeras,RIBOTAC)也在同步发展。
当然,医药领域的任何技术创新都逃不过临床开发的试炼。目前,有多款TPD分子正在进行癌症临床试验。除了癌症,许多TPD分子在神经退行性疾病、炎症性疾病或病毒感染等领域显示出极大的潜力。虽然有很多挑战需要克服,但毫无疑问,TPD技术将为未来的药物开发带来巨大的希望。
也许,正如Nature杂志在一篇评论文章所述,随着已有蛋白降解技术不断成熟,新的蛋白降解技术不断出现,可能有一天,所有蛋白均可被靶向降解。到那时,疾病治疗领域可能会诞生大量的里程碑进展。