导言
传统的小分子抑制剂通过干预蛋白质的功能发挥治疗作用，由于蛋白质结构存在局限性，某些活性位点难以与小分子桥接或几乎没有可结合的位点，而这些蛋白占据人体蛋白80%左右。因此，靶点难以成药性成为小分子药物开发的瓶颈问题。
蛋白质靶向降解剂利用蛋白酶体降解致病靶蛋白，从而产生不同的生物学效应，具有更高的选择性和疗效。相比于其他靶向蛋白降解技术，最著名是蛋白水解靶向嵌合体（Proteolysis-Targeting Chimeras，PROTAC）。由于该技术突破了传统成药原则，使攻克“不可成药”靶点变为现实，并不断赋能小分子创新药研发升级，近些年倍受业界的广泛关注。一、PROTAC简介
1. 发展历程
PROTAC是一种利用泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-Proteasome
System，UPS）对靶蛋白进行降解的药物开发技术。该技术最早由Sakamoto等人在2001年提出，第一次证明了PROTAC的体外概念验证。PROTAC技术发展历程如下图所示。
注：DCAF15, DDB1- and CUL4-associated factor
15; IMiD, immunomodulatory imide drug; MoA, mechanism of action; METAP2,
methionyl aminopeptidase 2; PoC, proof of concept; VHL, von Hippel–Lindau.由上图可知，2019年第一个进入临床试验的PROTAC药物ARV-110终结了靶向蛋白质降解这一基础时代，ARV-110象征着PROTAC进入了临床转化时代。2. 作用机制
PROTAC结构包括三个部分，即一个E3泛素连接酶配体、一个靶蛋白配体和特殊设计的“Linker”结构对其进行连接。其作用机制如下图所示。
由上图可知，PROTAC降解靶蛋白主要过程为PROTAC分子结合靶蛋白（POI）和E3连接酶，形成三元复合物。然后，E3泛素连接酶与E2泛素结合酶共同作用，对靶蛋白进行泛素化。靶蛋白被泛素化标记后，PROTAC分子与靶蛋白、E3泛素酶分离，泛素标记的靶蛋白被蛋白酶体识别并降解。3. 技术优势
传统小分子抑制剂采用“占据驱动”模式，即在较高浓度时才能占据靶点的活性位点，通过阻断下游信号通路传导起到治疗疾病作用，但存在易“脱靶”且需要明确活性位点局限。PROTAC技术可直接诱导底物蛋白降解，打破“占据驱动”局限，具备以下明显优势[3-4]：可靶向“不成药”靶点：PROTAC只要能够产生结合作用就可以诱导相关蛋白被降解，且活性较高，可大大提高靶点的范围。克服“耐药性”：传统小分子药物高亲和力的结合容易造成靶蛋白突变或过表达，即使后续迭代研发，也会产生新的耐药性。PROTAC分子通过UPS将靶蛋白降解掉，很大程度从根源上避免了耐药性问题。特异性强，安全性高：相比小分子可靶向多个蛋白易引起脱靶毒性，PROTAC各部件之间协同作用，使其特异性增强。在催化剂量下，可降解靶向蛋白且自身不参与反应，蛋白降解后会自动解离进入下一循环，使得安全性提高。可通过血脑屏障：血脑屏障除了允许特定类型的分子通过，PROTAC对其具有穿透能力，提示PROTAC还可用于神经及精神疾病治疗。给药途径多样：PROTAC可通过静脉、口服等多种给药方式，避免了长期单一方式用药给患者带来的心理负担，提高患者依从性。除此之外，将PROTAC技术与其他治疗方案从靶点位置、给药分布、靶向支架蛋白、口服利用度、生物选择性、给药途径等方面进行对比，结果如下表所示。由上表可知，与传统小分子药物、单克隆抗体、siRNA和CRISPR对比，PROTAC在靶点位置、给药分布、靶向支架蛋白、口服利用度、生物选择性、给药途径等方面具有明显优势。
二、PROTAC开发设计
PROTAC技术优势明确，但研发壁垒较高，在设计和应用上仍存在诸多限制性因素，如：分子量较大影响多数PROTAC成药性、靶点创新度较低、特有的钩子效应对PROTAC分子浓度要求较高、药物毒性的检测跟踪、对激动剂开发无效、E3配体和靶蛋白配体开发不足、Linker的设计尚未形成成熟的体系等[7]。PROTAC开发设计主要针对E3连接酶配体、靶蛋白配体、Linker分子以及连接位点四部分。E3连接酶配体：PROTAC分子招募的E3连接酶在相关细胞或组织中表达较高时，才具有活性。迄今为止，在600多个E3泛素连接酶中，仅不到10个被开发用于靶向蛋白质降解。目前，PROTAC中的E3连接酶配体主要有CRBN、VHL、cIAP和MDM2等，使用频次最高的是VHL和CRBN两种。数据来源：参考文献[10]
由上图可知，大部分E3连接酶组织分布具有局限性。应用较多的CEBN、MDM2和XIAP组织分布广泛，但仍有小部分组织无法覆盖，如：输卵管和膀胱。靶蛋白配体：通常设计PROTAC分子时，首选进行靶蛋白的选择，再进行靶蛋白配体的设计。靶蛋白配体设计以特异性强、PROTAC可常规降解、具有相关配体或晶型研究为主要因素。由于靶蛋白本身可存在内源性配体如：多肽、DNA、糖链等，在研发设计过程中，还需要考虑结合腔、突变、其它变构位点、可逆共价结合等问题。Linker分子：关于Linker的设计尚未形成成熟体系，通常考虑较长的Linker链能够更有效拉近配体两端分子距离，大部分Linker所用原子的链长常在10~20个原子长度范围。由于聚乙二醇（PEG）链具有足够的柔性，可调整分子到合适的结合角度，初步的PROTAC设计通常会选择PEG链作为连接分子。但也正由于该特点，使分子的结合熵过高，需要后期的不断优化。连接位点：Linker连接的位点也会影响PROTAC的特异性和降解活性。一般情况下，靶蛋白配体和E3连接酶配体的连接位点在配体暴露在溶剂的区域。Linker通过酰胺键、碳原子或杂原子经缩合反应或亲核取代反应等实现“牵手”。目前，常采用提高合成通量的方法、利用结构生物学和计算研究进行PROTAC连接基团的设计、及经验性接头长度SAR研究等方法进行Linker优化。三、PROTAC企业图谱
近年来，PROTAC的研究热情不断高涨，国内外多家企业在PROTAC研发管线上积极布局。其中，国外代表性企业有Arvinas、C4 Therapeutics、Kymera Therapeutics和Nurix等，国内代表性企业有珃诺生物、百济神州、海科思、海创药业、开拓药业等。
研究阶段分布：目前尚无PROTAC药物获批上市，临床阶段在研品种共计24个。其中，临床III期品种1个、临床II期品种7个、临床I期品种16个；临床前阶段在研品种（含IND）共计370个。将全球PROTAC临床在研品种的靶点、原研公司、研发状态、适应症信息进行整理，如下表所示。表4 全球PROTAC临床阶段在研品种情况
数据来源：药渡咨询团队整理
由上图可知，在全球PROTAC临床在研的24个品种中，中国临床在研品种共计6个，仅有1个处于临床II期。全球PROTAC临床在研品种的靶点主要集中在AR和BTK，除此之外，还包括BRD4、BRD9、IRAK4、NTRK、STAT3和Erα等。适应症以肿瘤领域为主，少数涉及感染、免疫炎症和皮肤结缔组织疾病领域，如：化脓性汗腺炎、特应性皮炎、寻常痤疮、脱发。靶点分布：在研品种数量最多的靶点为BRD4，共计33个品种。其次为AR、BTK、BET、ALK、CRBN、CDK6、EGFR等，以传统小分子药物的成熟靶点居多，创新靶点研究较少。适应症分布：在研品种适应症主要为肿瘤领域，占比约80%；超过10%的在研品种适应症未知，考虑可能与大部分PROTAC品种处于临床前研究阶段有关。其次，还涉及神经或精神疾病、免疫炎症、感染、皮肤结缔组织及眼科等领域适应症。企业分布：在研品种数量＞3个的原研企业中，丹娜法伯癌症研究院在研品种数量最多，共计35个。其次是Icahn School Of Medicine At Mount Sina、Arvinas Inc、密歇根大学和University Of Dundee等。其中，仅国外Arvinas Inc、Kymera Therapeutics Inc、C4 Therapeutics Inc和国内海创药业拥有临床在研品种，其他绝大多数企业机构在研品种处于临床前研究阶段。
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四、PROTAC发展方向
结合PROTAC自身优势与不足，PROTAC领域的下一个里程碑将主要集中在以下四个方面[1,12]：方向一：确定最佳的蛋白降解靶点。有报道称，最佳PROTAC靶点需满足以下原则：①可通过过表达、突变、聚集、异构体表达或定位而偏离自然状态，产生致病性；②E3连接酶可接近的结合表面；③理想情况下，一个非结构化的区域可以插入蛋白酶体；④对靶向疗法产生耐药性突变；⑤具有支架功能；⑥具有“不成药性”。目前，仅1/4的人体激酶被确认用作PROTAC靶点，其中绝大多数是传统小分子抑制剂的较成熟靶点，提示小分子药物未成药的靶点开发空间较大。方向二：扩大E3连接酶应用范围。人体基因组编码超过600种E3泛素连接酶，然而现阶段仅VHL和CRBN等少数几种用作PROTAC中的E3连接酶。未来可通过寻找广泛使用且普遍存在的连接酶，或根据连接酶的组织和细胞特异性、肿瘤富集等关键性特征不断扩大E3连接酶应用范围。方向三：扩展临床治疗范围。蛋白降解剂的研究主要集中在肿瘤领域，考虑到蛋白降解剂应用范围广泛，能够降解任何选择目标的特点，未来可将临床治疗范围扩展至肿瘤学以外的疾病领域。目前，在神经退行性疾病、炎症、免疫学领域已初见成果。方向四：探索PROTAC创新模式。对PROTAC创新模式的不断开发可进一步扩展PROTAC的靶点范围。如：生物制品的PROTACs（bioPROTACs）和杂合体PROTACs（hybrid PROTACs），以及创新蛋白降解模式靶向自噬体的AUTAC，自噬体牵引的ATTAC，靶向溶酶体的LYTAC和基于抗体的AbTAC等。五、结语
PROTAC作为一种新型靶向治疗方式，在作用机制、口服利用度、生物选择性、给药途径等方面显示出巨大潜力。尽管该技术迅速发展，但仍面临着开发速度较慢、透膜能力与口服生物利用度较差、人体临床研究证据不充分等诸多挑战。相信未来随着对PROTAC研究的日益丰富，PROTAC将持续推动小分子创新药研发不断升级。
作者∶谢静、吴莎莎
参考文献
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