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PROTAC——靶点选择与设计

 

 

 

蛋白降解靶向嵌合体 (PROTAC) 是利用泛素-蛋白酶体途径特异性的降解靶蛋白一种技术。自 2001 年 PROTAC 这个概念被提出,已有 9 款此类药物到达临床开发阶段,其中临床二期的 ARV-471ARV-110 更是已披露相关结构。前文我们已经提到过 PROTAC 分子的基本原理、对比传统小分子的优势以及它靶蛋白配体、连接子、E3 泛素连接酶配体 3 部分构成模块 (见:PROTAC——模块化构建药物分子的未来)。

 

诚然,PROTAC 仍然存在诸如溶解性、透膜性等问题,但是其模块化的设计思路不失为药物开发领域的一大“黑科技”。

 

 

 
PROTAC 的靶点
 

真核生物的蛋白降解途径主要分为溶酶体途径、泛素蛋白酶体途径、胞液蛋白酶水解途径和线粒体蛋白酶途径等四种 (图1)。其中,PROTAC 所依赖的蛋白酶体途径主要针对细胞周期蛋白、转录因子、细胞表面受体以及胞内变性蛋白等进行降解。

 

图 1. 不同蛋白降解途径特征

 

目前,PROTAC 已有靶向 ER、AR、BTK 以及 IRAK 的分子上市,不难看出,它们都是肿瘤相关蛋白。这些肿瘤相关蛋白,在特定的肿瘤细胞有特定的表型,或本身就是致癌蛋白,比如 Kras G12C,不用考虑在正常组织中的分布,可直接被降解。 

如果是一个非特异性蛋白需要开发成高靶向性的 PROTAC 该如何呢?我们总结了三种思路:一是光控 Linker 靶向释放;二是构建 PAC 分子;三是从 E3 连接酶的特异性上设计。

 

非特异性蛋白靶向思路一:光控 Linker
 

光控 Linker 主要分成两种,一种是光敏基团遮蔽,一种是光敏基团异构。


光敏基团遮蔽:Xue 等将原 PROTAC 分子 dBET1 的靶蛋白 BRD4 配体 JQ1 用 4,5-二甲氧基-2-硝基苯 (DMNB) 屏蔽,活性降低了 100 倍以上,之后再用 365 nm 的光照将 dBET1 释放,靶蛋白 BRD4 在 1 μM 浓度下几乎完全降解 (Dmax = 93%)。

 

图 2. 光控基团遮蔽 PROTAC[4]

 

光敏基团异构:Pfaff 等利用偶氮苯异构体顺反式距离相差 3-4Â 正好与 PROTAC linker 活性与非活性差异区间类似的特点,将原 PROTAC 分子 ARV-771 的 linker 用改造后包含顺式偶氮苯的结构。顺式偶氮苯可以在 415 nm 的光照下变为反式结构,恢复 ARV-771 活性链长。

 

图 3. 光控基团异构 PROTAC[5]

 

 
非特异性蛋白靶向思路二:PAC 分子
 

这是一种采用了抗体偶联药物 (ADC) 技术的分子,这种将 PROTAC 与 ADC 结合的技术也被称为抗体 PROTAC 复合物 (PAC)。


Maneiro 等在曲妥珠单抗上通过一段连接子片段连上上文的 BRD4 降解剂 ARV-771,连接后的分子仅在 HER2 阳性乳腺癌细胞系中降解 BRD4,而避开了 HER2 阴性细胞。

 

图 4. PAC 分子及其连接子[6]

 

非特异性蛋白靶向思路三:特殊 E3 连接酶
 

传统的 E3 连接酶选择是 CRBN、VHL 和 IAP 等配体,其中 VHL 可以被用于受体酪氨酸激酶 (RTK) 中,可作为降解膜蛋白的一种选择。对 E3 配体的考量,除了配体本身对 PROTAC 物理性质的影响外,还可以利用特殊的 E3 配体达到组织靶向性,比如 IAP 作为凋亡抑制蛋白,在癌细胞中高表达,可以基于此开发相应的 PROTAC 分子,该类分子也叫 SNIPER。


泛素样 PHD 和环指结构域 1 (UHRF1) 在乳腺癌等各种癌症中均过度表达,是环指 E3 泛素连接酶亚家族的成员,它通过与 H3K9me3 形成复合物发挥作用。Senisterra 等筛选 44000 个化合物库中破坏 UHRF1-H3K9me3 相互作用的小分子,最后通过优化发现了 Kd 值为 2.4 μM 的 NV03。遗憾的是,目前还没有基于 UHRF1 的针对乳腺癌的 PROTAC 分子被开发。

 

图 5. NV01 作用模式及优化后 NV03 的结构[9]

 

总结:

PROTAC 分子虽然可以模块化地构建靶蛋白降解分子,但是靶点选择性的问题让它对一些非特殊蛋白束手无策。好在,可以结合光控基团和 PAC 的技术,“锦上添花”般优化已有分子的靶向性。但最终 PROTAC 选择性问题的解决还是需要从根本上去改造它的结构。
 
万丈高楼平地起,构建 PROTAC 分子,合适的模块是必需的。MCE 是全球领先的科研化学品和生物活性化合物供应商,可以为科学家提供 PROTAC 相关模块化产品,目前我们已有 PROTAC、SNIPER、PROTAC-Linker Conjugate for PAC 以及它们的构成模块等各种产品在线。同时,我们还提供 PROTAC 产品的一体化合成服务。
 
PROTAC 分子设计要素:
 

 

PROTAC

dBET6

是一种高效的,选择性的,细胞透过的基于 PROTAC 技术的 BET 降解剂,IC50 值为 14 nM,具有抗肿瘤活性。

PROTAC K-Ras Degrader-1

是一种基于 PROTAC 技术的有效的 K-Ras 降解剂,在 SW1573 中对 K-Ras 降解率 ≥ 70%。

SNIPER

SNIPER (BRD)-1

由 IAP 拮抗剂 LCL-161 衍生物和 BET 抑制剂 (+)-JQ-1,通过 linker 连接组成,诱导 BRD4 降解。SNIPER (BRD)-1 同时抑制 cIAP1,cIAP2 和 XIAP,IC50 分别为 6.8 nM,17 nM 和 49 nM。

SNIPER (ABL)-020

由 Dasatinib (ABL 抑制剂) 通过 linker 与 Bestatin (cIAP1 配体) 组合而成,可有效降解 BCR-ABL 蛋白。

Protac-linker conjugate for PAC

PROTAC BRD4 Degrader-5-CO-PEG3-N3

是一种用于 PAC 的 PROTAC-linker 偶联物,包含 BRD4 降解剂 GNE-987 和 3 个 PEG 的 linker。

PAC

由 ADC linker 和 PROTAC 分子组成,PAC 与抗体偶联。与 PROTAC (不偶联 Ab) 相比,PAC 偶联抗体之后更加显著降低雌激素受体-α (ERα) 水平。

PROTAC BRD4 degrader for PAC-1

是一种用于 PAC 的 PROTAC-linker 偶联物,包含嵌合体 BET 降解剂 GNE-987 和含二硫化物的 linker。

MCE 的所有产品仅用作科学研究或药证申报,我们不为任何个人用途提供产品和服务。

 

 

 

 

参考文献

 

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