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#蛋白降解疗法
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▎药明康德内容团队编辑
上周，开发靶向蛋白降解疗法的明星公司Arvinas宣布与知名药企辉瑞（Pfizer）达成协议，共同开发和推广其具有“first-in-class”潜力的PROTAC蛋白降解剂ARV-471，昭示着PROTAC蛋白降解剂这一全新的分子类型正朝着造福患者方向全力冲刺。“我们祝贺合作伙伴Arvinas在PROTAC管线推进方面的重大进展和达成的里程碑合作，这证明了PROTAC技术的发展前景受到了行业更多、更高的认可，” 药明康德高级副总裁、药物研发国际服务部负责人郭涛博士说道，“我们也期待与众多合作伙伴一同见证PROTAC等创新技术对人类疾病治疗方式的革新与改进。药明康德将不断提升平台能力和规模，以创新力量助力更多好药的诞生，造福病患。”在今日的这篇文章中，药明康德内容团队将与大家一道回顾PROTAC疗法的前世今生，以及全球目前的主要研发管线。说起PROTAC蛋白降解剂，就不得不谈“泛素介导的蛋白降解系统”。发现这个系统的三名科学家也在2004年摘得诺贝尔化学奖的桂冠。
图片来源：The Nobel Prize in Chemistry 2004. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021. Tue. 27 Jul 2021. <https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2004/summary/>我们知道人类的基因组里有数万条编码蛋白质的基因。许多科学家的研究重点都在于基因如何指导蛋白合成，以及这些蛋白具有怎样的功能。而合成的蛋白要怎样降解，却在很长一段时间里都少人关注。1942年，一项研究使用同位素示踪的方法，表明动物体内的蛋白质会不断合成与降解，始终保持动态稳定。11年后的一项研究则进一步发现，细胞内发生的大部分蛋白降解需要消耗额外的能量，这说明细胞可能是有意对蛋白降解进行着调控。上世纪七、八十年代交际时，一系列开创性的研究奠定了这一蛋白降解系统的发现基础。首先，研究人员们发现网织红细胞裂解液在“过柱”分离后会被分为两层，且只有两层混合后才会发生耗能的蛋白降解。在第一层中，研究人员们找到了泛素蛋白，并发现它能以共价的形式结合裂解液中的许多其它蛋白，且一个蛋白上能结合由泛素组成的多肽链；第二层能进一步被分为两块，其中一块含有被称为“蛋白酶体”的复合体，另一块里则发现了被称作E1、E2与E3的几种关键的酶。泛素是一种只由76个氨基酸组成的蛋白，序列高度保守，且在多种真核生物中普遍存在。因此研究人员们推断，它在依赖能量的蛋白降解过程中，可能有着普遍而又重要的功能。而随着E1、E2与E3这几个关键酶的发现，被写入教科书的蛋白降解系统，也逐渐有了自己的雏形。
▲“泛素介导的蛋白降解”已被写入教科书（图片来源：Rogerdodd, CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons）
如今我们知道，在ATP的作用下，泛素会被激活，先形成泛素-腺苷酸复合物，再被转移到泛素活化酶E1上；随后，E1将活化的泛素转移到泛素结合酶E2上；最终，泛素连接酶E3将泛素转移到目标蛋白上，就像是打上“清除”的标签。这些被打上标签的目标蛋白，也会被送到蛋白酶体复合体处进行降解。这一系统对于真核生物而言不可或缺。它不但能控制细胞周期，还与癌症和免疫系统功能密切相关。可以想象，它也顺理成章地成为了许多药物研发人员眼中的目标。诺贝尔化学奖的新闻稿里富有前瞻性地指出，基于这一系统开发的药物“能启动摧毁不想要的蛋白”，从而治疗多种疾病。2001年，耶鲁大学的Craig Crews教授课题组发表了一篇具有里程碑意义的论文。为了评估降解目标蛋白的可能性，研究人员们设计了一种人造分子，一端是能够结合目标蛋白的小分子，另一端则是能结合E3连接酶的多肽。研究发现，这种人造分子的确能将目标蛋白“拉拽”到E3连接酶附近，利用泛素介导的蛋白降解系统进行降解。
“未来，这一方法有望用于让蛋白出现条件下的失活，以及降解导致疾病的蛋白。”该论文的摘要里写道。这一分子也被命名为蛋白靶向嵌合分子-1（protein-targeting chimeric molecule 1），缩写为Protac-1。随后，更多具有类似工作原理的分子被开发出来。如2004年，研究人员们开发出了一款能够穿透细胞的分子，能降解雄激素受体。然而这些分子与Protac-1一样，都是基于多肽结构进行的开发。它们的分子量较大，细胞膜穿透能力不强，效力也不够高，因此限制了它们的成药潜力。为了克服这些难点，研究人员们转而思考使用小分子来进行靶向蛋白降解的可能。与Protac-1不同，此类分子结合E3泛素连接酶的部分也同样是小分子，而非多肽。2008年，首款具有这一特性的小分子诞生，它同样来自Craig Crews教授的课题组。
具体来看，这款小分子一端是雄激素受体的配体，能够选择性地结合雄激素受体。它的另一端则能够结合一种叫做MDM2的E3连接酶。两端之间，则由基于PEG的连接子进行连接。实验表明，这一小分子能够将雄激素受体招募到MDM2附近，使其泛素化，并随之被蛋白酶体复合体降解。这一能够靶向蛋白进行降解的嵌合分子，也因此被命名为PROTAC（PROteolysis TArgeting Chimera）。我们如今常用来指代靶向蛋白降解疗法的“PROTAC”，正是由此而来。随着首个PROTAC分子的问世，更多科研团队开始关注这一新兴的药物方向。一篇2018年的综述论文指出，在2015到2018这短短三年间，就有30多款PROTAC分子得到报道。相比其它用于调节或抑制蛋白功能的小分子，PROTAC分子更不易受耐药性的影响，也能够解决诸如蛋白互作之类难题。此外，考虑到PROTAC在降解靶向的蛋白后，还能够循环利用，这也降低了它们所需的起效剂量，使其具有更优的成药特性。2013年，PROTAC领域的开拓者Craig Crews教授创办了一家名为Arvinas的公司，加速推进这一技术的科学转化，旨在早日造福患者。“我们正处于证明PROTAC可以成药的浪口，”Arvinas公司的首席科学官Ian Taylor博士说道，“接下来我们还要测试，它能否用于不可成药的靶点。”
▲Arvinas创始人Craig Crews教授是PROTAC领域的开拓者之一（图片来源：Craig Crews教授课题组官网）
2018年，药明康德内容团队对Arvinas总裁兼首席执行官John Houston博士进行了专访，听他分享了Arvinas迈入临床阶段，挑战新药研发“圣杯”的历程。
Arvinas公司率先进入临床阶段的两款在研疗法，针对的蛋白靶点分别是雄激素受体和雌激素受体。之所以选择这两个靶点，是考虑到新药研发的客观规律——从PROTAC分子的作用机制看，只要能结合目标蛋白的任意位置，即便是较弱的结合，都能将E3连接酶带到目标蛋白附近，打上泛素标签。但这一类分子尚未在临床上证明自己。因此为了测试此类分子的成药可行性，该公司优先选择比较成熟的靶点。已有经验表明，如果能降解由于过量表达的蛋白，或是产生耐药突变的蛋白，就能给患者们带来临床上的收益。而前列腺癌中的雄激素受体，以及乳腺癌中的雌激素受体，就属于这个范畴。
▲Arvinas的肿瘤学管线（图片来源：Arvinas官网）
在针对雄激素受体和雌激素受体的疗法之外，Arvinas也计划针对更多新的癌症靶点，其中不乏具有“不可成药性”的靶点。而在肿瘤之外，神经科学领域是其关注的重点。Houston博士指出，研究人员们曾做过一个看似“疯狂”的实验，往小鼠的大脑里直接注射PROTAC药物，发现只要比传统小分子药物稍大一点，此类药物就能穿透血脑屏障。从管线上看，tau蛋白和α-突触核蛋白也在未来的专注方向之中。
▲Arvinas的神经科学管线（图片来源：Arvinas官网）
值得一提的是，Arvinas的两款领先疗法已经在临床研究中验证了自身的潜力。今年3月公布的数据显示，靶向降解雌激素受体的ARV-471能够显著降低患者肿瘤组织中的雌激素受体表达水平，平均降低62%，最多降低接近90%。而且，ARV-471对野生型的雌激素受体，或是突变的雌激素受体均表现出降解效果。辉瑞与Arvinas达成合作的，就是这款分子。而降解雄激素受体的ARV-110在前列腺癌的治疗上，同样能显著抑制疾病的信号通路。“我们现在确信在这两个临床开发项目中都观察到明确的疗效信号。” Arvinas首席执行官John Houston博士总结道。在Arvinas率先斩获积极的临床数据后，这一领域在今年迎来井喷。根据《自然》子刊Nature Reviews Drug Discovery近日发布的一篇综述文章，到2021年年底，将有至少15款在研蛋白降解疗法处于临床阶段之中。其中既包括PROTAC分子，也包括其它新型蛋白降解疗法，如分子胶（molecular glue）。值得一提的是，2019年3月，PROTAC才首次进入临床试验，距今仅仅两年。
其中进度最为领先的当属上文中提到的两款来自Arvinas的蛋白降解剂。此外，该公司还有第三款PROTAC分子ARV-766即将于2021年进入临床阶段。它靶向的同样是雄激素受体，用于前列腺癌的治疗。关于这一疗法，Arvinas并未透露太多，只说它与ARV-110具有差异化的特性。
另一大开发蛋白降解剂的公司为Kymera Therapeutics。依照这篇综述提供的信息，到2021年，它也将有三款进入临床阶段的蛋白降解剂，分别靶向IRAK4、STAT3、以及BTK三种不同的靶点。与Arvinas的研发策略不同，这三款疗法针对的都是血液癌症。今年7月，该公司公布了其STAT3降解剂的最新数据，确认它能够实现突变型以及野生型STAT3超过90%的降解。传统大型药企中，百时美施贵宝（BMS）在蛋白降解领域有着多款在研分子。其中AR-LDD是其开发的一款雄激素受体降解剂，用于前列腺癌的治疗。而另三款分子则属于“分子胶降解剂”范畴，针对GSPT1与IKZF1/3靶点，分别治疗急性髓性白血病，多发性骨髓瘤，以及淋巴瘤三大血液癌症。这四款在研分子均已进入1期临床阶段。
▲今年至少将有15款蛋白降解疗法位于临床开发阶段（《医药观澜》团队制图；数据来源：参考资料[2]）
在中国，也有不少企业正在开发蛋白降解疗法。如万春医药子公司Seed Therapeutics已与礼来（Eli Lilly and Company）达成潜在高达8亿美元的授权合作协议，共同开发泛素化靶向蛋白质降解新药；睿跃生物开发的CG001419是一款TRK蛋白降解剂（神经营养因子受体酪氨酸激酶），拟用于治疗癌症和其他疾病；开拓药业的GT20029则是一款可外用的新型雄激素受体降解剂，拟用于雄激素性脱发和痤疮的治疗。“作为一项新兴技术，PROTAC极大拓宽了未来人类进行药物开发在靶点选择上的可能性，”药明康德高级副总裁、药物研发国际服务部负责人郭涛博士表示，“从2016年这一技术刚刚起步之时，药明康德就开始布局PROTAC相关能力和技术，并积累了大量成功经验。随着近年来对PROTAC了解的逐步深入，公司针对PROTAC分子已搭建了完善的一体化赋能平台，集发现、合成、分析纯化和测试等能力于一体。目前公司HitS事业部正在进一步强化DEL等技术在化合物发现上的优势作用，以帮助更多合作伙伴找到更多优秀的PROTAC分子。”目前蛋白降解疗法已取得许多进展，可谓蓄势待发。我们期待随着科学的进步和技术的发展，蛋白降解疗法可以取得更多突破性的成就，早日造福广大病患！参考资料：
[1] Ubiquitin-mediated proteolysis, Retrieved July 28, 2021, from https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-chemistryprize2004.pdf
[2] Yutian Zou et al., (2019), The PROTAC technology in drug development, Cell Biochem Funct, DOI: 10.1002/cbf.3369
[3] Sainan An and Liwu Fu. (2018), Small-molecule PROTACs: An emerging and promising approach for the development of targeted therapy drugs, EBioMedicine, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2018.09.005
[4] Targeted protein degraders crowd intothe clinic. Retrieved Mar 26, 2021, from https://www.nature.com/articles/d41573-021-00052-4
注：本文旨在介绍医药健康研究进展，不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
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