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

主题：PROTACs技术

嘉宾：清华大学药学院 饶燏教授

亮点：

1）首个小分子PROTACs即将开展I期临床试验

2）靶向不可成药的靶点是PROTACs技术的巨大优势

3）PROTACs技术可能会在疾病治疗中带来前所未有的突破

观点：

1）PROTACs技术有望克服传统蛋白抑制剂易出现耐药性的缺点

2）基于PROTACs的蛋白降解剂是否会爆发持乐观态度

2019年3月20日，Nature发文称，基于蛋白水解靶向嵌合体（Proteolysis-TargetingChimeras，PROTACs）技术的蛋白降解剂可能将成为下一个重磅药物。

蛋白降解剂首次进入专利文献是在1999年，当时来自生物技术公司Proteinix的研究人员John Kenten和Steven Roberts提交了一项小分子化合物的专利（查看专利：go.nature.com/2vyjf9l），该化合物可以利用泛素机制降解兴趣蛋白（proteinof interest ,POI）。

2年后，加州理工学院的Raymond  Deshaies博士与耶鲁大学的Craig Crews教授在PNAS杂志上[1]发表了类似的技术：利用基于肽的Protac-1诱导了靶蛋白2型蛋氨酸氨肽酶（MetAP-2）的降解。不过此时，Protac-1离成为一款药还有很远的路要走。

一代PROTACs在人类细胞中活性较低，可能是因为这些基于大而笨重的肽起连接作用的化合物难以进入细胞。之后，Crews教授及其同事一直改进这一技术。到2008年，他们已经放弃了基于肽的PROTACs技术，并设计出了基于E3泛素连接酶MDM2、可用于降解雄激素受体(AR)的小分子蛋白降解剂[2]。2012年，Crews教授等又报道了[3]结合泛素连接酶VHL（von Hippel–Lindaudisease tumour suppressor）的小分子PROTACs。这时，研究人员开始相信，PROTACs技术可能能够成药。

2015年5月和6月是小分子PROTACs的爆发期。Crews教授和其他团队分别发表了5篇描述小分子PROTACs具有有效药样活性的论文[4-8]。这些蛋白降解剂都能在培养皿细胞以及小鼠人类肿瘤中发挥作用。举例来说，Crews教授等开发出一种结合VHL的PROTACs，使用该技术可使多种蛋白的水平降低超过90%[4]；而Georg E. Winter等在1篇Science论文中利用招募cereblon（CRBN）的PROTACs技术靶向了致癌蛋白BRD4，并延缓了小鼠白血病进展[5]

突破：首个临床试验即将开展

          像哑铃一样的PROTACs技术（图片来源：David Parkins）

如上图所示，PROTACs技术看起来像哑铃一样。这一双功能分子通过一个连接器（linker）连接兴趣蛋白的配体以及E3泛素连接酶的招募配体。也就是说，PROTACs技术的一端与靶蛋白结合，另一端与E3泛素连接酶结合。E3泛素连接酶通过将一种叫做泛素的小蛋白贴在靶蛋白上将其标记为缺陷或受损蛋白。之后，细胞的蛋白粉碎机（即，蛋白酶体）会处理掉被标记的靶蛋白（如下图）。

图片来源：Nature

为了将基于PROTACs技术的蛋白降解剂推向临床，2013年，Crews教授成立了Arvinas。经过6年的研发，公司将在今年年中启动候选药物ARV-110治疗前列腺癌的I期临床试验。试验将纳入28-36名患有转移性前列腺癌的男性，持续约9个月。

ARV-110是全球首个进入临床试验的蛋白降解剂，靶蛋白是AR。Crews教授等希望通过降解AR，PROTACs技术能够治疗那些无法获益于现有药物或对这些药物耐药的患者。

这一试验至关重要，因为人们对蛋白降解剂能否在人类身上发挥作用存在相当大的怀疑。这与PROTACs的大小很有关系。因为，一个好的小分子药物的大小通常是小于500道尔顿，但目前PROTACs的大小超过1000道尔顿。不过，大量研究显示，这种大小的分子也能够进入细胞。Crews教授怀疑，这是因为细胞可能将PROTACs识别成了2个小分子，而不是1个单分子。此外，来自多家公司的内部分析表明，蛋白降解剂能够很好地溶解，也能进入细胞，并且可以口服，在某些情况下甚至可以跨越血脑屏障。

默沙东公司负责蛋白降解剂开发的Jason Imbriglio表示，业内所有人都在屏息以待这一临床试验的结果。因为，它可能会真正改变人们对PROTACs技术能否成药的看法。大家将密切关注第一梯队蛋白降解剂在人体中的吸收、分布、代谢和排泄情况以及其在降低靶蛋白水平方面的效力如何。

近几年，包括Arvinas在内的很多初创生物技术公司（如C4 Therapeutics、Kymera Therapeutics）致力于PROTACs技术的研发。诺华、安进、辉瑞、GSK、默沙东、罗氏、Biogen等多家制药巨头也在该领域进行了布局。

除Arvinas外，包括诺华在内的其它公司也有一些同类分子已经接近临床试验，如Kymera公司靶向IRAK4的蛋白降解剂预计在明年上半年开展临床试验。

优势：靶向不可成药的靶点

蛋白降解剂（多色）结合了1个靶蛋白（绿色）和1个E3泛素连接酶（蓝色），驱动基于蛋白酶体（橙色）的靶蛋白泛素化(紫色)和降解。（图片来源：Arvinas）

PROTACs技术最大的优势之一是能够使靶点从“无成药性”（undruggable）变成“有成药性”。大多数小分子药物或单抗需要结合酶或受体的活性位点来发挥作用，然而，据估计，人类细胞中80%的蛋白缺乏这样的位点。而PROTACs可以通过任何角落、缝隙抓住靶蛋白。

抑制剂和降解剂调控蛋白功能的机制大不相同。此外，与抑制剂相比，降解剂的剂量可以更低，从而降低了副作用。（图片来源：Drug Discovery Today：Technologies）

考虑到该领域的竞争性，一些公司对他们正在研究的靶点守口如瓶，尤其是对以前无成药性的靶蛋白。通过PROTACs技术靶向这些蛋白可能会在疾病治疗中带来前所未有的突破。

用途：解决耐药性问题

不过，Arvinas公司的两个主要候选药物分别作用于AR和雌激素受体(ER)。这两个靶点均已经在临床上获得验证，已有靶向AR和ER的药物获批上市。这种开发策略虽然保守，但也具有重要的临床意义。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。

基于PROTACs技术的蛋白降解剂抵抗耐药性的这一优势在针对其它靶点的研究中也得到了验证。2018年6月6日，我国科学家发表在Cell Research上[9]的一篇论文证实：体外实验显示，BTK蛋白降解剂能够靶向降解C481S突变的BTK蛋白，克服B细胞恶性肿瘤对临床一线药物依鲁替尼（全球首个获批上市的BTK抑制剂）的耐药性。清华大学药学院饶燏教授是该研究的共同通讯作者。今年3月11日，饶燏教授等又在Nature子刊《白血病》[10]杂志上发表了体内实验的结果，研究表明，利用PROTACs技术降解多种突变型BTK蛋白能克服对依鲁替尼耐药的非霍奇金淋巴瘤（B细胞恶性肿瘤的一种）。

BTK降解剂设计原理图（图片来源：Leukemia）

据了解，饶燏教授在2015年正式开展PROTACs技术相关的研究。之所以会选择靶向BTK，一方面是因为，BTK是一个非常重要的靶点，另一方面是因为，2014年NEJM杂志[10]曾报道了慢性淋巴细胞白血病患者对依鲁替尼耐药的现象。因此，团队希望借助PROTACs技术解决明星抗癌药真实临床耐药的问题。接下来，他们将进一步深入开展BTK降解剂的相关基础研究工作。

领域：不局限于治疗癌症

尽管目前，大多数蛋白降解剂聚焦在癌症领域，但这类新型药物还有很多潜在的可用之地，如神经退行性疾病。

Arvinas公司已经在靶向Tau（与阿尔茨海默症相关的蛋白）的降解剂研发方面取得进展，并乐观地认为，能够将这类药物推向临床试验（官网数据显示，注射靶向Tau的PROTACs技术到小鼠海马体使该蛋白的水平降低了50%）。他们也在进行与帕金森病有关的α-突触核蛋白降解剂的开发。此外，今年1月，C4 Therapeutics 和Biogen宣布合作开发治疗阿尔茨海默症和帕金森病的蛋白降解剂。

升级：4大方向提升成药性

C4 Therapeutics CEO Andrew Phillips表示，2019至2021年将是PROTACs技术的关键年。对于在发展的关键时期，PROTACs技术可以从哪些方面进行升级，Crews教授在今年2月发表在DrugDiscovery Today：Technologies上的1篇综述[12]讨论了这一问题。他指出了4大方向：

1）优化PROTACs的设计、合成与评价：为了加速和简化PROTACs的发现，必须揭示其发现原理，建立稳定的评价平台。

2) 扩大可用E3泛素连接酶的范围：E3泛素连接酶的选择可以决定这类药物开发的成败。人类基因组中预计有超过600个E3泛素连接酶，但目前被验证或用于PROTACs开发的只有几个（主要是VHL、CRBN、MDM2和cIAP1，它们都具有与其结合的小分子配体）。因此，探索更多可用的E3泛素连接酶是未来工作的重点之一。

PROTACs技术作用的靶点以及里程碑进展时间线（图片来源：Drug Discovery Today：Technologies）

3) 选择和验证靶点：靶点选择是药物研发中最重要的决定之一。尽管可以靶向无成药性的蛋白，但并不是所有蛋白质都能被PROTACs技术降解，如没有或暂未发生配体的蛋白质。因此，哪些是可配体的靶点(ligandable targets)是急需弄清一个问题。此外，对兴趣靶点的早期验证也非常重要。

4) 靶向无成药性的蛋白：迄今为止，大部分PROTACs技术靶向的蛋白是已经被验证可以成药的靶点，而正如前文所说，PROTACs技术很有潜力挑战传统上认为不可成药的靶蛋白，靶向这些蛋白更有颠覆某些疾病治疗的可能性。

前景：是否会爆发形势乐观

虽然目前暂未有临床数据发布，但该领域有理由保持乐观。因为，2014年，有科学家发现，世界上最畅销的药物之一来那度胺（用于治疗骨髓瘤）与蛋白降解剂的作用机理类似，可降解原被认为不可捉摸的两种蛋白质(IKZF1和IKZF3)[13][14]。

事实上，在2015年小分子PROTACs引发热潮后，Deshaies博士曾发表过一个观点，他认为，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。

对于这一观点，饶燏教授认为，每个药物类型都有自己的优势，PROTACs的价值更多地应该体现在解决蛋白激酶抑制剂和单克隆抗体不擅长或不能解决的问题，而不是在这两类药物已经做得很好的地方花大力气去超越。PROTACs技术能够靶向传统小分子和抗体无法作用的蛋白这一特性使这类蛋白降解剂具有在疾病治疗空白区域体现价值的潜能。

对于PROTACs技术未来是否会爆发，饶燏教授持乐观态度，但他同时也指出，新药研发“坑”太多，失败率太高。作为新技术，PROTACs未来还有很多路要走。除了技术升级，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。任何一类药物的研发都需要厚积薄发。只有更扎实的研究、更广泛的投入才能帮助PROTACs真正成药。不过，由于蛋白降解剂独立于抗体和传统的小分子药物，因此，未来成长空间巨大、前景广阔毋庸置疑。

究竟PROTACs技术能否成为药物发现领域最大的游戏规则改变者，我们拭目以待。

相关论文：

[1]Kathleen M. Sakamoto et al. Protacs:Chimeric molecules that target proteins to the Skp1–Cullin–F box complex for ubiquitination and degradation. PNAS(2001).

[2]Ashley R. Schneekloth et al. Targeted intracellular protein degradation induced by a small molecule: En route to chemical proteomics. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters(2008).

[3]Dennis L. Buckley et al. Small‐Molecule Inhibitors of the Interaction between the E3 Ligase VHL and HIF1α. Angewandte Chemie International Edition(2012).

[4]Daniel P Bondeson et al. Catalytic in vivo protein knockdown by small-molecule PROTACs. Nature Chemical Biology (2015).

[5]Georg E. Winter et al. Phthalimide conjugation as a strategy for in vivo target protein degradation.Science(2015).

[6]Michael Zengerle et al. Selective Small Molecule Induced Degradation of the BET Bromodomain Protein BRD4. ACS Chemical Biology(2015). 

[7]Dennis L. Buckley et al. HaloPROTACS:Use of Small Molecule PROTACs to Induce Degradation of HaloTag Fusion Proteins. ACS Chemical Biology(2015). 

[8]Jing Lu et al. Hijacking the E3 Ubiquitin Ligase Cereblon to Efficiently Target BRD4. Chemical Biology(2015).

[9] Yonghui Sun et al. PROTAC-induced BTK degradation as a novel therapy for mutated BTK C481S induced ibrutinib-resistant B-cell malignancies. Cell Research(2018).

[10] Yonghui Sun et al. Degradation of Bruton’s tyrosine kinase mutants by PROTACs forpotential treatment of ibrutinib-resistant non-Hodgkin lymphomas. Leukemia (2019).

[11]Richard R. Furman et al. Ibrutinib resistance in chronic lymphocytic leukemia. NEJM(2014).

[12]Mariell Pettersson et al. PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) — Past, present andfuture. Drug Discovery Today：Technologies(2019).

[13]Jan Krönke et al. Lenalidomide Causes Selective Degradation of IKZF1 and IKZF3 in Multiple Myeloma Cells.Science(2014).

[14]Gang Lu et al. The Myeloma Drug Lenalidomide Promotes the Cereblon-Dependent Destruction of Ikaros Proteins.Science(2014).

参考资料：

1# First targeted protein degrader hits the clinic

2# Protein-slaying drugs could be the next blockbuster therapies

3# 清华大学药学院饶燏课题组在Cell Research发表关于利用新型蛋白质靶向降解技术克服Ibrutinib耐药的B细胞恶性肿瘤

4# 饶燏课题组在自然子刊《Leukemia》发表利用PROTAC技术降解多种突变型BTK蛋白克服临床药物依鲁替尼耐药的非霍奇金淋巴瘤

5# 新药开发系列（十六）PROTAC前世今生和未来