靶向蛋白降解技术利用真核细胞内固有的两大蛋白降解系统——泛素-蛋白酶体系统（UPS）和溶酶体途径，实现了多种疾病相关蛋白的靶向降解，正引领着下一代小分子药物的发展方向。近年来，研究人员围绕上述问题积极探索，开发了多维度的靶向蛋白降解技术。本文将盘点从2023年至今的靶向蛋白降解的新型策略，以供读者参考。
迄今为止，许多基于邻近效应的双功能分子已经被开发用于靶向调控生物大分子中，如靶向蛋白质泛素化/磷酸化、靶向RNA降解等等。它们在分别接近两个目标分子后将其拉近，从而形成复合物而发挥下游功能。但这些双功能分子往往是一价的，需要经过复杂耗时的筛选和优化。2023年3月，北京大学深圳研究生院李子刚/尹丰团队开发了一种基于“分裂-混合”的纳米平台，并将其命名为split-and-mixPROTAC(SM-PROTAC)（图1），他们将能够自组装的核心单体分别与PROTAC中的两个组件（靶蛋白招募模块和E3连接酶招募模块）融合，以不同的比例将二者结合，再通过一些表征方法筛选二者的最佳比例，同时该纳米平台的多价性质也保证了目的蛋白的降解效果。之后，研究人员通过对一系列靶点的成功降解，证明了SM-PROTAC可以通过连接目标蛋白配体和E3连接酶配体实现快速的靶标蛋白降解以及配方优化。同时，该平台还具有极强的应用潜力，可以扩展到任何生物分子，包括DNA、RNA、蛋白质和其他生物分子的功能调控，如磷酸化/去磷酸化、泛素化、靶向降解、表观遗传学等。
图1. 基于“分裂和混合”的SM-PROTAC模型示意图[1]但是基于肽的SM-PROTAC的低药效，限制了其在生物医学领域的进一步发展。因此，迫切需要开发一种更有效的用于生物医学应用的PROTAC纳米平台。由于脂质体具有易于配制、自动组装和高负载运输的特性。研究人员将SM-PROTAC与脂质体结合，从而提出了一种基于脂质体的分合（Split-and-Mix）纳米自调节平台(LipoSM-PROTAC)（图2C），并对其进行了生物学表征和验证。研究发现，LipoSM-PROTAC系统具有叶酸选择性降解靶标蛋白的功能。且研究人员以雌激素受体蛋白（ERɑ）为模型，通过体外实验验证发现该体系具有显著降解ERɑ蛋白的效果。与基于肽的SM-PROTAC相比，LipoSM-PROTAC系统可以以更低的浓度达到治疗效果，并为临床转化提供了机会。总体而言，基于LipoSM的平台显示出更高的药物功效，这为PROTAC和其他生物分子调控提供了潜在的应用前景。图2. 基于脂质体的分合(Split-and-Mix)纳米自调节平台(LipoSM-PROTAC)模型示意图[2]目前，真核细胞中所有的靶向蛋白质稳定（TPD）都依赖于泛素蛋白酶体或溶酶体系统，因此对缺乏蛋白酶体和溶酶体的膜细胞器中的靶蛋白（如线粒体）无能为力。杭州医学研究所的方晓红团队设计并开发了一种线粒体蛋白酶靶向嵌合体（MtPTAC），用于实现线粒体基质中蛋白的靶向降解（图3）。MtPTAC是一种双功能小分子，一端与线粒体酪蛋白水解蛋白酶P（ClpP）结合，另一端与靶蛋白结合，MtPTAC激活了ClpP的水解酶活性，同时使目标蛋白与ClpP靠近，进而水解掉靶蛋白。研究人员以线粒体RNA聚合酶（POLRMT）为靶蛋白，在体内和体外均展示了MtPTAC强大的蛋白水解能力和抗肿瘤应用前景。这是第一个模块化设计的能够特异性水解线粒体内靶蛋白的TPD。
图3. 线粒体蛋白酶靶向嵌合体(MtPTAC)模型示意图[3]
对于传统的PROTAC分子而言，其使用的过程中往往会表现出钩状效应，即当PROTAC分子的浓度达到某一特定值后，进一步增加其浓度反而会降低靶蛋白的降解效率，而这一效应也在一定程度上限制了PROTAC分子在活体和临床研究中的应用。基于这一背景，佛罗里达大学的Thomas
Kodadek教授和来自康奈尔大学的Francis Barany教授团队提出了一种自组装蛋白降解靶向嵌合体（SAPTAC）的设计策略（图4），将PROTAC分子拆分为与靶蛋白和E3泛素连接酶结合的两部分（用于实现可逆耦合的“X和Y”），如果在平衡状态下，存在大量未连接的目标蛋白和E3连接酶配体，这些低分子量分子可以比稳定连接的PROTAC更有效地渗透细胞/组织。在渗透细胞后，目标蛋白和E3连接酶之间将形成共价可逆结构，引向关键的三元复合物，触发目标蛋白的多泛素化和随后的蛋白酶体介导的破坏，从而实现消除钩状效应。图4. 自组装蛋白降解靶向嵌合体(SAPTAC)模型示意图[4]
在哺乳动物受到多种刺激后，可激活早期基因（IEG），IEG介导生长因子、神经元和免疫刺激的转录反应，编码Fos、EGR和NR4A家族的转录因子，促进迟发反应基因（LRG）的转表达，介导细胞对刺激作出响应。而LRG具有细胞反应特异性，在对首次刺激的适应性反应中至关重要，IEG mRNA在首次刺激后的几分钟内积累，一旦翻译，它们的蛋白质会迅速降解，从而出现蛋白质瞬时爆发式表达，促使细胞对各种刺激产生适当的反应。尽管IEG的转录机制得到了很好的研究，但IEG蛋白的降解机制仍然是个谜。为了表征IEG蛋白的降解机制，Michael E. Greenberg和Stephen J. Elledge团队通过全局蛋白质稳定性分析（GPS）系统来测定IEG蛋白质的稳定性，并进行全基因组CRISPR-Cas9筛选，以寻找那些调节IEG蛋白稳定性的基因（图2）。他们发现，midnolin蛋白是哺乳动物中一种未被充分表征的蛋白质，它的过表达促进c-Fos、FosB、EGR1和NR4A1等多种IEG蛋白的蛋白酶体降解，抑制蛋白酶体的活性而不是抑制泛素化酶的活性可抑制IEG蛋白降解，表明IEG蛋白降解依赖于midnolin和蛋白酶体，而不是泛素化降解途径。midnolin-蛋白酶体途径可能代表了蛋白酶体绕过经典泛素化途径，以实现核蛋白选择性降解的一般机制。图5. midnolin-蛋白酶体途径独立于泛素化降解许多核蛋白[5]
O-糖基化是真核生物中最普遍的糖基化形式。在多种类型的O-糖基化蛋白中，最突出的是黏蛋白（mucins），它主要由上皮细胞分泌，在一系列类型的肿瘤细胞中表达，并通过调节蛋白稳定性诱导各种致癌信号分子促进肿瘤进展。黏蛋白酶StcE是一种选择性切割黏蛋白的蛋白酶。StcE可以选择性地从生物样品中去除黏液结构域糖蛋白，并将其切割成片段，便于分析。StcE对黏蛋白表现出基于肽和聚糖的选择性。斯坦福大学的Carolyn R.
Bertozzi教授团队通过纳米抗体将StcE酶靶向到癌细胞表面，并通过酶工程化改造降低StcE酶的酶活性，从而仅在癌细胞表面富集的情况下完成降解过程，避免误伤健康细胞的黏蛋白，具有肿瘤治疗的前景（图6）。图6. ColabFold (Methods)62预测的纳米体-黏液酶偶联物的结构[6]
IBG1是专利报道的一个类PROTAC的降解剂，其是由BET抑制剂JQ1和DCAF15的芳基磺酰胺配体E7820连接而成，能够在多个细胞系中诱导BRD4的高效降解。实验结果表明，IBG1诱导的BRD4降解依赖于蛋白酶体途径，但与DCAF15无关。英国邓迪大学的Ciulli团队与奥地利科学院CeMM分子医学研究中心的Winter团队通过研究IBG1分子对BRD4的靶向降解机制，揭示了IBG1是一种分子内二价胶水，并发现了一种新型的靶蛋白降解模式，即小分子同时顺式（cis）结合靶蛋白的两个相邻结构域，靶蛋白构象的变化使其粘连到E3连接酶上，与一般的PROTAC等反式（trans）蛋白-连接酶结合有着本质的区别。这种两个结构域的分子内二聚化修饰蛋白质表面并调节蛋白-蛋白相互作用的方法，是一种高效靶向蛋白质降解的新策略（图7），为药理学的发展提供了新的设计方向。图7. 传统的一价胶和二价PROTACs与分子内二价胶分子识别模式的示意图模型[7]
1.Targeted Biomolecule Regulation Platform: A Split-and-Mix PROTAC Approach2.Selective Protein of Interest Degradation through the Split-and-Mix Liposome Proteolysis Targeting Chimera Approach3.Mitochondrial Protease Targeting Chimeras for Mitochondrial Matrix Protein Degradation4.Reversible Assembly of Proteolysis Targeting Chimeras5.The midnolin-proteasome pathway catches proteins for ubiquitination-independent degradation6.Design of a mucin-selective protease for targeted degradation of cancer-associated mucins7.Targeted protein degradation via intramolecular bivalent glues