未来的小分子药物长什么样？

▎药明康德内容团队编辑

‍凡是过往，皆为序章——威廉·莎士比亚

多年以后，回顾起医药产业的这段时光，会有哪些突破在历史上书写下全新的篇章？可能有人会提到改写生命蓝图的细胞与基因疗法，抑或是横空出世的RNA疗法。但在其中，一定会有新一代小分子药物的一席之地。而这一切，起源于一场偶然的安排。

上世纪末，在一场会议上，耶鲁大学的Craig Crews教授与加州理工学院的Ray Deschaies教授意外结识。原本这只是个巧合——会议组织方按姓氏字母排序，将两人的座位放在了一块。然而就是这场偶然相遇，让两位科学家成为了合作伙伴。在几轮啤酒过后，他们脑中酝酿的风暴逐渐成型：如果利用分子的特性，将致病蛋白拉到细胞的“垃圾处理中心”，就可以摧毁它们，治疗疾病。谁也没有想到。在这场酒局的25年后，这一概念演化出了无限的可能性，让产业和学术圈为新一代的小分子药物深深着迷。

▲异双功能分子现已得到学术界和产业的广泛关注（数据来源：参考资料[1]）

此类小分子药物的典型代表，就是PROTAC。它的一端结合目标蛋白，另一端识别泛素降解系统中的E3连接酶。通过这种机制，后者能为目标蛋白打上泛素标签，促进它们的降解。Craig Crews教授共同建立的Arvinas公司是这一领域的翘楚，其技术也已在临床试验中获得了概念上的验证。

如今，生物医药产业将此类小分子药物称为“异双功能分子”，指代其两端所识别的不同对象。而将两种原本并无交集的蛋白拉到一起的方法，也被归纳在“诱导-接近”（induced-proximity）这一全新的作用机制下。科学家们逐渐意识到，它不仅能用于降解目标蛋白，还有着更多其他的用处。

从降解蛋白到稳定蛋白

“有些不可成药靶点需要的不是蛋白降解，而是要稳定蛋白。”在2023年药明康德全球论坛上，加州大学伯克利分校的Dan Nomura教授如是说。在他心目中，首当其冲的应用可谓是反其道而行之——不去降解目标蛋白，反而是让它们避免被降解。

▲Dan Nomura教授在2023年药明康德全球论坛上探讨解决“不可成药性”的策略

去年，Nomura教授团队与诺华生物医学研究所合作，在Nature Chemical Biology上介绍了一种名为“去泛素化酶靶向嵌合体”（DUBTACs）的全新技术。类似于PROTAC分子，DUBTAC分子一端能与目标蛋白结合，另一端则能募集去泛素化酶，去除目标蛋白表面的泛素链，防止它们的异常降解。

具体来看，他们选择的去泛素化酶是OTUB1，其泛用性类似于PROTAC中使用的E3链接酶cereblon。一方面，它在各种细胞和组织表面都有表达，能作用于多种不同的蛋白质；另一方面，它的去泛素化修饰相对特异，只针对通过K48相连的泛素链（主要将蛋白送往蛋白酶体介导的降解途径）。而先进的化学生物学技术能催生全新的小分子，募集OTUB1的同时，还不影响它的活性。

▲去泛素化酶靶向嵌合体的作用机理（图片来源：参考资料[6]）

其另一端则靶向带有F508突变的CFTR蛋白。在正常情况下，CFTR扮演了氯离子通道的角色。而在发生突变时，这种蛋白会由于无法正常折叠，而被打上泛素标签，送往降解。而在DUBTAC分子的作用下，这类突变蛋白得以被稳定运输到细胞表面，行使一定的氯离子通道功能。该研究声称，此类疗法的效果要优于目前一款已上市的药物。

另一个尝试则用于稳定激酶WEE1，这是一种抑癌蛋白。在很多肿瘤中，WEE1会被降解，从而促进癌细胞的增生。而细胞中的WEE1的水平，可能抑制肿瘤的生长。《自然》杂志的一篇新闻也指出，稳定抑癌蛋白的潜力不止WEE1。比如经典的抑癌蛋白p53在健康细胞内，会由于E3连接酶MDM2而保持在低水平。而一旦p53失去功能，细胞就会不受控地生长。针对p53的DUBTAC分子可能恢复其细胞水平，解决p53难以成药的困扰。

同样是在去年，由Nomura教授联合成立的Vicinitas Therapeutics宣布完成6500万美元的A轮融资，以DUBTAC技术主攻遗传疾病和癌症。“DUBTAC平台有潜力靶向那些之前被认为不可成药，但对蛋白质稳定有应答的靶点。”他说道。

Nomura教授也曾在药明康德全球论坛上提到，遗传疾病、癌症之外，DUBTAC技术可用于其他更为广泛的疾病领域。泛素在细胞内不止会影响蛋白稳定和降解，还会调节信号传导、蛋白相互作用、以及蛋白在细胞内的定位。而研究人员们需要做的，就是理解对不同的泛素链进行怎样的修饰，会产生怎样的结果。如果能打通其中的关键环节，针对泛素的创新技术有望在未来开辟崭新的天地。

蛋白编辑——翻译后修饰

相比基因编辑，蛋白编辑听起来是一个更陌生的词。但利用异双功能的小分子，我们同样可以将修饰蛋白质的酶拉近到蛋白质附近，取得想要的“编辑效果”。

比如2019年，基因泰克就曾介绍过一种叫做“磷酸酶招募嵌合体”（PhoRCs）的技术。在一篇论文中，研究人员们通过PhoRC分子，将蛋白磷酸酶PP1拉到了目标蛋白附近，成功促进了AKT和EGFR两种蛋白的去磷酸化。

类似的，异双功能分子还可以促进目标蛋白的磷酸化。2020年，Broad研究所的Amit Choudhary博士与Stuart Schreiber博士两位学者带来了“磷酸化诱导嵌合体”（PHICs）技术，利用小分子拉近激酶和目标蛋白，成功让AMPK和PKC两种激酶对通常不是它们底物的目标蛋白进行了磷酸化。次年，他们又带来一款PHIC分子，使用PKC对BTK和BCR-ABL两种癌症常见蛋白进行了磷酸化。

《自然》的新闻指出，这只是对蛋白进行磷酸化和去磷酸化修饰的一个开端。考虑到磷酸基团对蛋白质功能的诸多作用，这一领域未来可期。“当蛋白编辑领域成熟时，能开启许多全新的道路。”Choudhary教授补充道。

由他共同创立的Photys Therapeutics公司，正在使用诱导磷酸化技术来尝试治疗癌症。以往那些难以成药的抑癌蛋白或是转录因子，都有望通过这一技术突破药物发现和瓶颈。癌症之外，PHIC技术也有望用于代谢类疾病、罕见病、以及神经疾病等领域。

还有更多团队在磷酸化/去磷酸化领域耕耘。如华中科技大学王建枝教授团队开发的“去磷酸化靶向嵌合体”（DEPTAC）技术希望募集PP1，去除阿尔茨海默病相关tau蛋白上的磷酸基团。而PROTAC先驱Craig Crews教授团队则开发了“磷酸化靶向嵌合体”（PhosTAC）技术也能特异性去除tau蛋白的过度磷酸化，并且降低Tau蛋白水平，有望用于治疗阿尔茨海默病和其它Tau蛋白病。在他看来，PhosTAC分子有望取得比传统激酶抑制剂更好的效果。

▲使用PhosTAC技术去除tau蛋白磷酸化的图示（图片来源：参考资料[7]）

除此之外，能调整蛋白乙酰化修饰的技术（如ActTAGs），可能是“蛋白编辑”领域下一波崛起的方向。

挑战尚存，前途乐观

尽管这一系列创新技术让人畅想下一代小分子的未来，但很多专家也指出，这些技术目前还处于开发的早期，有不少挑战有待解决。

其中的一个挑战在于如何找到能结合目标蛋白，却又不会影响其功能的结构，而计算机或许能为人类提供一臂之力。《自然》的新闻提到多伦多大学的计算化学家Matthieu Schapira教授正在寻找能结合非催化位点的配体。而利用计算机搜索的策略，他们已经在369种涉及蛋白修饰的酶里（比如去泛素酶，激酶，甲基转移酶，乙酰转移酶等），找到了超过1000个潜在的位点，这个数字之庞大让他们感到意外，也从侧面证实了这一领域未来的巨大潜力。

另外一大挑战则在于如何带来组织特异性的抑制。Crews教授团队最近成立了一家名为Halda Therapeutics的公司，开发被称为“调控引导接近靶向嵌合体“（RIPTACs）的技术。简单来讲，它们就像是具有智能的抑制剂，只在目标位点发挥作用。

▲RIPTAC分子的作用机制（图片来源：参考资料[8]）

类似于PROTAC分子，RIPTAC分子的一端可以与肿瘤细胞中高度表达的蛋白相结合，而另一端则结合一些对细胞生存而言至关重要的蛋白。它们构成的复合体会抑制细胞关键蛋白的功能，导致肿瘤细胞的死亡。而健康细胞因为缺乏肿瘤细胞中高度表达的蛋白，不会被RIPTAC分子杀死。今年1月，这一技术的初步结果得到发表。“这些药物在优化后，不会对健康细胞产生强烈效应。“Halda公司的首席科学官评论道。

有意思的是，在尝试解决一大挑战的同时，RIPTAC技术也带来了新的挑战。诸如PROTAC、DUBTAC、以及PHIC等技术的一大亮点，在于一个分子能反复使用，影响多个靶蛋白。然而由于其机理所限，RIPTAC分子只能一次针对一种靶蛋白。这为药物的药理学提出了新的要求。

还有一些药物化学家对此类异双功能分子的尺寸提出了担忧。由于它们自带两个结合不同靶点的结构，其中还需要用连接子相连，药物的尺寸难免偏大。在代谢过程中，它们可能更容易被肝脏降解。为此，分子量更小的分子胶或许会是一种潜在的替代技术。然而从某种意义上说，过去分子胶药物的发现，多少有些运气的成分。如何理性设计分子胶，还是当下产业需要解决的一个难题。“理性设计分子胶是我们的重中之重。“Nomura教授评论道。

▲不同类型RIPTAC分子的化学结构（图片来源：参考资料[8]）

展望未来，倘若分子胶能实现理性设计，那它与异双功能分子之间的边界将会被进一步模糊。Nomura教授补充指出，研究异双功能分子的科学家们会进一步缩小药物的尺寸，而研究分子胶的科学家们则可能带来尺寸更大的分子，让两者更为接近。作为一名新药研发的专家，他已经迫不及待想要看到未来的发展了。

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参考资料：

[1] Proximity-inducing drugs get closer, Retrieved March 17, 2023, from https://www.nature.com/articles/d41573-023-00044-6

[2] Phosphorylation-Inducing Chimeric Small Molecules, Retrieved March 17, 2023, from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32787262/

[3] Synthetic Reprogramming of Kinases Expands Cellular Activities of Proteins, Retrieved March 17, 2023, from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35641438/

[4] Heterobifunctional Molecules Induce Dephosphorylation of Kinases-A Proof of Concept Study, Retrieved March 17, from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31874036/

[5] 《药明康德》微信公众号以往相关内容报道

[6] Henning et al., (2022). Deubiquitinase-targeting chimeras for targeted protein stabilization. Nature Chemical Biology, https://doi.org/10.1038/s41589-022-00971-2

[7] Hu et al., (2023). Targeted Dephosphorylation of Tau by Phosphorylation Targeting Chimeras (PhosTACs) as a Therapeutic Modality. J. Am. Chem., https://doi.org/10.1021/jacs.2c11706

[8] Raina et al., (2023). Regulated Induced Proximity Targeting Chimeras (RIPTACs): a Novel Heterobifunctional Small Molecule Therapeutic Strategy for Killing Cancer Cells Selectively. bioRxiv, doi: https://doi.org/10.1101/2023.01.01.522436

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