PROTAC：小分子药重回聚光灯下

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前言

Preface

作者 l 郭佳 

来源 l 漫投简史（ID：metallur）

内容源于对郭佳博士访谈并搜集资料整理

和传统蛋白活性调节剂的占据驱动（occupancy-driven）药理学作用模式不同，PROTAC平台技术是事件驱动（event-driven）的药理作用模式，把靶蛋白泛素化，从而被蛋白酶体降解，只是提供结合活性，不需直接抑制目标蛋白的功能活性。随着PROTAC技术的不断发展完善，如今已获得多家国际制药巨头的青睐。本期漫投简史将对PROTAC技术进行系统的梳理。

传统的药物研发主要集中在直接调控蛋白质或酶的活性来治疗疾病，主要通过占据驱动（occupancy-driven）的药理学作用模式来控制蛋白功能，因此蛋白质活性调节剂的开发和应用一直是药物研发的主流方向，然而据估计仅有10%的蛋白能用小分子调控，10%能用生物大分子调控的蛋白在细胞表面，而高达80%的蛋白无法用现有药物调控[1]。

和传统蛋白活性调节剂作用原理不同，PROTAC平台技术把靶蛋白泛素化，从而被蛋白酶体降解。理论上PROTAC只是提供结合活性，是事件驱动（event-driven）的药理作用模式，不需直接抑制目标蛋白的功能活性，又可以重复利用，业界认为对PROTAC的活性要求也许不用很高[2]。随着PROTAC技术的不断发展完善，从争议到现在的热捧，如今已获得多家国际制药巨头的青睐。

占据驱动和事件驱动的药理作用机制[2]

本期漫投简史将对PROTAC技术进行系统的梳理。

PROTAC的发展史

真核生物细胞中一直在努力维持适当的蛋白水平，每一时刻它们都在生成和降解成千上万种蛋白。维持蛋白平衡的关键因子是泛素(Ubiquitin)的小蛋白分子，当它被链接到靶蛋白上后，会导致靶蛋白被运送到蛋白酶体中进行降解，PROTAC就是利用这一机制完成了蛋白降解过程。

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什么是PROTAC

蛋白降解靶向嵌合体(PROTAC)的技术源头可追溯到泛素(Ubiquitin，Ub)调节的蛋白降解过程，这一过程是以色列科学家Aaron Ciechanover、Avram Hershko、美国科学家Irwin Rose共同发现并获得2004年的诺贝尔奖。利用泛素调节蛋白质降解这一机制，美国两院院士Raymond J. Deshaies和Arvinas公司创始人Craig M. Crews等人于2001年提出了PROTAC概念。

PROTAC，即蛋白降解靶向嵌合体(PROteolysis TArgeting Chimeria，PROTAC)，是一种特殊的蛋白降解技术。PROTAC技术利用细胞内天然存在的蛋白降解途径-泛素化蛋白酶体途径（Ubiquitin proteasome pathway）来清除需要被降解的特异蛋白。细胞内结构或功能异常的蛋白通过一系列酶（泛素化酶 E1，E2，E3）的作用，被标记上多泛素化，随之被转移到蛋白酶体里进行降解[3]。

一个PROTAC分子包括两个关键的结构域：与需要降解的靶蛋白特异结合的结构域、与E3泛素化连接酶（E3连接酶）结合的结构域，二者通过特定的连接子（linker）相连。PROTAC分子通过上述两个关键结构域将需要降解的靶蛋白与E3泛素化连接酶连接起来，泛素转移至靶蛋白从而实现靶蛋白的泛素化，经过多轮泛素化后就有了多个泛素标签，多聚泛素化之后的靶蛋白会被一种蛋白酶体识别并被降解。

PROTAC技术原理

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PROTAC的里程碑事件

2019年3月26日，美国Arvinas公司宣布靶向蛋白降解剂ARV-110正式开展I期临床试验，启动患者给药，用于治疗转移性去势抵抗性前列腺癌（mCRPC）患者。ARV-110是一款靶向雄激素受体（AR）的口服PROTAC蛋白降解剂，这是靶向蛋白降解剂新疗法第一次进入人类临床试验，开启了PROTAC先河。

图片来源：Arvinas

2019年6月26日，Arvinas宣布其靶向雌激素受体（ER）的蛋白质降解剂ARV-471治疗局部晚期或转移性ER阳性/HER2阴性乳腺癌的新药研究申请（IND）获得美国FDA的批准，预计将在2019年第三季度开始ARV-471的I期临床试验。

C4 Therapeutics公司的首席执行官Andrew Phillips博士透露：2019年到2021年将是PROTAC领域爆发的时期。

回顾PROTAC的18年发展历史，Craig M. Crews在Drug Discov Today Technol杂志上发表了综述性文章，总结了PROTAC当前常用靶点（Targets）和里程碑事件（Milestones）：

PROTAC的里程碑事件[2]

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PROTAC的技术优势与劣势

在2015年，Raymond J. Deshaies博士曾发表过一个观点：PROTACs有潜力成为一种主要的新型药物，且可能会超越有史以来最热门的两个药物开发领域——蛋白激酶抑制剂和单克隆抗体[4]。

PROTACs技术最大的优势之一是能够使靶点从“无成药性”（undruggable）变为“有成药性”。大多数蛋白激酶抑制剂、单克隆抗体等药物需要结合靶标的活性位点来发挥作用，但高达80%的蛋白可能缺乏这些活性位点，而PROTACs只是提供结合活性，是事件驱动（Event-driven），不需直接抑制目标蛋白的功能活性，药物不需要与目标蛋白长时间和高强度的结合，因此可以靶向传统难以成药的蛋白。

PROTAC这个过程类似于催化反应，药物可以重复利用，抑制靶蛋白并不需要等摩尔量的药物，因此使用催化剂用量即可获得极高活性的药物成为可能，带来毒性低、克服靶蛋白突变/过表达引起的耐药、不依赖于亲和力、可选择性高、清除蛋白堆积等诸多优点。

基于PROTACs技术的蛋白降解剂抵抗耐药性的优势已得到了验证，以AR靶点为例，大多数接受AR拮抗剂恩杂鲁胺治疗的患者会因为癌细胞产生AR突变等情况产生耐药性，而靶向AR的蛋白降解剂能够有效催化多种蛋白结构的完全降解，从而延缓耐药性[6]。

Craig M. Crews最近总结了PROTAC与其它技术的区别，PROTAC在很大程度上结合了小分子化合物和小分子核酸的优点，既可以有效地靶向目标蛋白，又可以将之降解清除，如下表：

作为新技术，PROTACs未来还有很多路要走，比如PROTAC作为靶标蛋白降解者，不排除误伤其它脱靶蛋白的可能，是否带来其他副作用需要在未来的临床实验中密切跟踪、监测，降低后期风险。另外PROTAC技术只适用于开发抑制剂类药物，对于开发激动剂目前暂不适用。

PROTAC蛋白降解剂的分子刚性和水溶性不甚理想，所以透膜性可能较差；PROTAC分子都比较大（如下图），PK可能是一个潜在障碍；为了走向临床，科学界和工业界需要克服PK、PD、生物利用度、给药方式等各方面的成药性问题[6]。

PROTAC蛋白降解剂的迭代

虽然PROTAC蛋白降解剂是近期开始变得大红大紫，但是实际上已经有类似作用机制的药物上市并成为重磅炸弹，比如2010年，Handa及其同事的研究发现E3连接酶Cereblon（CRBN）为沙利度胺蛋白质的主要靶点；2014年，科学家又发现世界上最畅销的药物之一来那度胺与蛋白降解剂的作用机理非常类似，可降解IKZF1和IKZF3两种蛋白；再比如抗肿瘤药物氟维司群(Fulvestrant)和他莫昔芬(Tamoxifen)可以降解雌激素受体；第三代EGFR抑制剂奥希替尼(Osimertinib, AZD9291)不但抑制酶活性，也选择性诱导EGFR T790M的降解。因此我们可以认为PROTAC蛋白降解剂的成药性实际上已经得到验证！

PROTAC蛋白降解剂的分子类型目前可分为肽类分子和小分子，其设计思路具体如下图所示：

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第一代：基于肽段的PROTACs

在2001年，加州理工学院的Raymond J. Deshaies博士与耶鲁大学的Craig M. Crews教授在PNAS杂志上发表了“利用基于肽的Protac-1诱导靶蛋白2型蛋氨酸氨肽酶（MetAP-2）降解”[5]，这是被报道的全球第一批PROTACs双功能分子，不过离成药性还有很远的距离，之后，Crews教授及其同事一直在改进这一技术，直至2008年。通过基于短肽段的PROTAC技术，科学家成功获得了一些PROTAC靶标，包括MetAP2、雄激素受体、芳烃受体、PI3K等。

然而肽类PROTAC的活性较低，在微摩尔范围内，主要障碍可能在于肽段技术平台具有较差的细胞渗透率。幸运的是，不断的改进尝试促进了具有体内稳定性的PROTAC小分子技术平台的发展[1]。

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第二代：基于小分子的PROTACs

在2008年，首个基于小分子PROTAC蛋白降解剂被报道，其E3结合配体为MDM2-p53抑制剂nutlin，蛋白靶向部分为选择性雄激素受体调节剂SARM，利用含MDM2的E3诱导了AR的降解，从而开启了PROTAC技术发展的新时代。

小分子PROTAC蛋白降解剂克服了第一代肽类PROTACS细胞渗透性较差、细胞活性低的缺点，相对更容易被人体吸收，增加了成药性。2019年首次进入临床的ARV-110和ARV-471就是小分子PROTAC蛋白降解剂的典型代表。

PROTAC蛋白降解剂研发盘点

纵观PROTAC的发展，在早期研发领域，耶鲁大学Craig M. Crews、加州理工Raymond J. Deshaies、丹娜法伯癌症研究所Jay Bradner以及邓迪大学Alessio Ciulli四位教授都分别作出了重要贡献。Craig Crews无疑是该领域的先驱，研究积累最为深厚，其2013年创办的Arvinas也是目前进展最快的公司，用于治疗前列腺癌的雄激素受体（AR）降解剂ARV-110，现已进入Ⅰ期临床试验。

华人学者在相关领域的研究和开发也并不逊色，包括但不限于密歇根大学王少萌教授（亚盛医药联合创始人）、北卡大学熊跃教授、西奈山伊坎医学院金坚教授、清华大学饶燏教授、复旦大学鲁伯埙教授、中国药大姜正羽教授和尤启冬教授、上科大仓勇教授、杨小宝教授等。

近年，PROTAC技术的产业化也越来越受到工业界和资本的认可。耶鲁大学Craig M. Crews教授于2013年创办了Arvinas，丹娜法伯癌症研究所Jay Bradner教授创办了C4 therapeutics。该领域其他Bio-Tech公司还有Captor therapeutics、Nutrix therapeutics、Cedilla therapeutics、Vividion therapeutics、Cullgen、Kymera等，这些公司几乎都受到资本市场的追捧。布局PROTAC的大药厂有辉瑞、默沙东、基因泰克、阿斯利康、勃林格殷格翰、葛兰素史克、新基、安进、礼来、吉利德、艾伯维、强生等等，这些大公司多以和小型Bio-Tech公司合作。

国内的除了上海睿因（Cullgen）专注PROTAC技术，还有成都分迪科技、凌科药业、和径医药、亚盛医药、海创药业、加科思、优博生物、科伦药业、石药集团等，都处于研究的早期阶段。

展望

从近年来的全球药物销售趋势看，生物药已开始大行其道，而小分子药物的光芒渐渐淡化，也有不少人唱衰小分子药物。如今PROTAC大显光芒，大量风险投资资金的投入和大型医药公司的合作参与将助推PROTAC技术快速发展，小分子PROTAC蛋白降解剂时代来临。

引用文献

[1] 杨益平. PROTAC技术：小分子药物研发大杀器来了. 创药网. 2018.

[2] MariellPettersson, Craig M.Crews. PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) — Past, present and future. Drug Discov Today Technol. 2019, 31: 15-27.

[3] RoetenMSF,et al.Positioning of proteasome inhibitors in therapy of solid malignancies. Cancer Chemother Pharmacol. 2018, 81(2): 227-243.

[4] 舒特俊. PROTAC：重新定义小分子药. 海邦沣华. 2019.

[5] Sakamoto KM, Kim KB, Kumagai A, Mercurio F, Crews CM, Deshaies RJ. Protacs:Chimeric molecules that target proteins to the Skp1–Cullin–F box complex for ubiquitination and degradation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001, 98 (15): 8554-8559. 

[6] 颠覆性PROTACs技术迎来突破，蛋白降解剂将成下一个重磅药物 | 专访清华饶燏.

[7] Yutian Zou, Danhui Ma, Yinyin Wang. The PROTAC technology in drug development. Cell Biochem Funct. 2019, 37: 21–30.

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