靶向蛋白降解三大未来方向

近日，靶向蛋白降解（targeted protein degradation，TPD）先驱——耶鲁大学Craig M. Crews教授在Cell Chemical Biology杂志发表了一篇综述。文章中，Crews教授强调了扩展TPD工具箱对于发现和表征下一代降解剂的重要意义，并提出应优先发展的三个主要方向：1）以更大的时空精度扩展TPD平台；2）提高降解剂合成的通量；3）优化化学诱导蛋白复合物的协同性，以助力TPD行业快速发展。

靶向蛋白降解技术开创了邻近诱导药理学在转化医学中应用的新篇章。这类小分子骨架主要分为两类：分子胶和异双功能嵌合体。分子胶降解剂通常作为单价配体，促进蛋白质-蛋白质相互作用（PPI），而不一定形成强烈的蛋白-配体相互作用；异双功能嵌合体则含有两个独立的化学组分，通过连接子相连，分别招募各自的蛋白靶点。

图1. 一价和二价降解剂特性的比较

TPD平台扩展

在TPD成为公认治疗方式之前，能够同时作为E3连接酶和其他蛋白质循环因子配体的小分子寥寥无几。自从基于VHL、CRBN的细胞内降解剂开发成功，科学家们开始关注新型化合物的探索，以招募其他E3连接酶、蛋白酶体亚基、自噬机制等。溶酶体途径降解细胞外蛋白质的TPD方法的出现，为我们提供了新的、互补的治疗策略。此外，一些膜相关受体也引起了关注。

人体内数百种蛋白质参与蛋白酶体和溶酶体的运输，但只有少数确定了招募关系，这意味着还有广阔的探索空间。对于当前系统无法有效靶向的蛋白质，以及对抗VHL、CRBN过度滥用而导致突变性问题，TPD平台的持续扩展显得尤为重要。

通过高通量筛选发现既定蛋白质靶标的配体，以及其可配化的固有特性，将极大地推动小分子结合物用于可招募降解机制目录的扩展；而针对具有有利特性的蛋白质组分进行特异性循环招募，则能提升TPD的精准度。

图2. 下一代TPD平台的优势特性

只要工具得当，理论上可以“量身定制”地设计TPD疗法，精准定位并降解靶标，从而减少因脱靶效应带来的毒性。例如，在肿瘤治疗领域，TPD的选择性得益于肿瘤依赖性的癌蛋白的上调和突变，而这些蛋白在正常体组织中很少表达；同时，许多已获批的用于治疗癌症的靶点特异性抑制剂也被重新开发成了TPD药物。

降解剂-抗体偶联物（degrader-antibody conjugates，DAC）提升了降解剂向特定细胞递送的精准度，而利用配体实现组织特异性蛋白质降解的策略，则规避了有效荷载过早释放的情况。此外，CRBN和VHL等E3连接酶已经被广泛应用于降解多种蛋白质类型，因此，理想的可招募系统应展现出广泛的新底物范围。

降解剂合成通量提升

对于学术实验室而言，合成超过30-40个PROTAC分子是一项繁重的工作量。因为如果化学弹头之一在市场上无法购得，其合成过程往往会变得极为耗时，因此为特定靶标创建二价降解剂文库是一项艰巨的任务。

目前，已有几种适用于生物学平台的合成策略，这些策略中，降解剂可以基于板的形式快速生成，且仅需最少的纯化或检测步骤。尽管这些方法在接头中引入了辅助基团，可能会影响体内的疗效，且在产物转化率较低时可能导致结果解读困难，但直接用于生物学的平台无疑提高了二价降解剂合成的操作性和效率。

机器学习、AI辅助的数据收集和模型训练可以预测小分子诱导PPI，但由于缺乏连接子-活性关系而受到限制。更高通量的降解剂合成可以通过生成更大的降解剂库和数据集来训练这些模型。

组合和自组装策略还可以减少合成工作量，且能更广泛地筛选双功能降解剂的连接子和招募范围。

图3. 更高通量降解剂合成的方法

协同性优化

高效降解内源性靶标是TPD的关键评估环节。虽然早期的降解参数至关重要，但对三元复合物形成机制的深入分析对于设计更高效的降解剂同样至关重要。与传统占据驱动药理学原理相似，理想的邻近诱导分子应具备快速结合和缓慢解离的特性。

多价降解剂可能先发生两个或多个二元结合事件，随后形成三元复合物，且每个募集元件可能具有不同的结合动力学和热力学特性。此外，像PROTAC这样的二价降解剂会出现所谓的“Hook效应”。然而，通过优化配体介导的PPI以促进三元复合物的形成，可以克服这种“Hook效应”。

那些三元相互作用超过单个二元亲和力的系统被定义为具有正协同性，由于三元复合物的持续形成，正协同性通常会导致靶蛋白更有效地降解。迄今为止，仅在泛素-蛋白酶体定向降解剂中观察到了协同性，而自噬和溶酶体系统所需的协同性水平可能受环境影响。

总的来说，在大多数TPD途径中，正协同性可能推动了事件驱动药理学的早期发展。因此，协同性的评估应与降解筛选同步进行。

图4. 配体诱导的三元复合物的热力学方面

小结

过去的二十年间，TPD改变了我们对药理学的传统认知，并推动了学术界和制药行业开发基于邻近诱导的药物。分子胶降解剂作为一种TPD分子，因其结构上的灵活性，更容易被优化成临床候选药物；此外，二价降解剂的发展速度未来可能会超过一价分子胶。

合成和评估所有可能的二价降解剂设计仍然是一项艰巨的任务，且降解剂的药代动力学特性可能与传统抑制剂有所不同。对降解剂的分子设计、蛋白质-蛋白质界面以及生物学效应进行系统的评价，对于推动二价降解剂达到临床阶段至关重要。组建跨学科团队将加速这一迭代过程。

注：文章配图均来自参考资料[1]

参考资料：

[1]Mackenzie W. Krone et al. Next steps for targeted protein degradation. Cell Chemical Biology（2024）.DOI：10.1016/j.chembiol.2024.10.004

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