PROTAC:小分子药重回聚光灯下
文 l 郭佳 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。
这是漫投简史的第 13 期分享。
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
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。
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。
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。
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):
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。
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:
PROTAC蛋白降解剂的迭代
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]。
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.
[7] Yutian Zou, Danhui Ma, Yinyin Wang. The PROTAC technology in drug development. Cell Biochem Funct. 2019, 37: 21–30.
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