▎药明康德
编者按：近日，炙手可热的靶向蛋白降解疗法（PROTAC）再度聚焦了全行业的目光。PROTAC领域的先行者——Arvinas公司公布了其PROTAC蛋白降解剂ARV-471和ARV-110的最新临床结果。这也是靶向蛋白降解疗法取得的最新临床积极结果。每一个新领域冉冉升起绽放光芒之前，都有着暗夜中漫长的积累和探索，当此际，让我们看一看蓄势待发的PROTAC赛道上，有哪些机遇和挑战正等待着我们？
PROTAC技术是通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）诱导靶向蛋白降解的一种全新技术。区别于传统的占据驱动（occupancy-driven）的药理学原理，事件驱动（event-driven）的PROTAC技术具有诸多优势，比如具有高活性、高选择性，催化降解作用模式，靶向不可成药靶点等。PROTAC ，全名Proteolysis Targeting Chimera，称为蛋白靶向降解嵌合体，其分子具有双特异性，共由三部分组成。它的两端各带有一个连接配体（binding ligand），一端可以跟泛素连接酶E3结合，另一端可以跟目标蛋白（POI，Protein of Interest）结合，中间有一个连接子（linker）将两个连接配体连接起来。这样的双特异性结构有什么样的意义呢？我们从蛋白质的泛素化修饰说起。在天然的生物体反应中，泛素化修饰涉及泛素激活酶E1、结合酶E2和泛素连接酶E3的一系列反应：在ATP供能的情况下，泛素激活酶E1激活泛素，然后将其转移到泛素结合酶E2上，并通过硫酯键与E2的活性位点的Cys相连。E2可以直接将泛素转移到靶蛋白的Lys残基上，但一般靶蛋白的泛素化需要一个特异的泛素连接酶E3。E3泛素连接酶是具有特异性的，它一端能够识别特定的目标蛋白，一端定位E2，然后就可以为目标蛋白打上一个泛素“标签”。上述级联酶促反应过程称之为泛素化，由于底物蛋白结构的不同，泛素可以连接的位点不一样，因此，不同的底物蛋白与泛素连接酶E3相遇，可以使得泛素化呈现单位点与多位点泛素化等不同的形态。当被标记了多个泛素后，目标蛋白会被蛋白酶体识别和降解。这个系统广泛存在于生命体的各个通路中，能够很好地调控蛋白质的水平。尽管这个依赖于ATP的蛋白降解通路在上世界70年代末已经被发现，但是直到30年之后才有了首个应用这一系统靶向降解蛋白质的报道。
▲事件驱动的PROTAC分子的作用机理（图片来源：参考资料[1]）PROTAC的出现，为上述天然的生命体反应增加了人工靶向的可能——“想让谁降解，就让谁降解。”通过一端特异性的泛素连接酶E3配体，PROTAC成功“劫持”了泛素连接酶E3这个能够为目标蛋白打上“死亡”标签的关键角色；PROTAC分子另一端与目标蛋白结合，就可以将这两个分子在空间上拉近，形成一个三元复合物，从而通过一系列反应将目标蛋白泛素化。当目标蛋白被多次泛素化后，就能被人体内的蛋白降解酶（proteosome）识别到，从而被降解成多肽片段，彻底失去活性。在这个过程当中，PROTAC分子虽然介导了目标蛋白最终被降解，自身却并没有被消耗掉。它重新被释放，开始寻找下一个目标。人们可以通过选择不同的连接配体，引导PROTAC分子有选择性地降解不同的目标蛋白；或者通过不同的泛素连接酶E3配体，调用不同的泛素连接酶E3；加上与不同的linker之间排列组合，造就了PROTAC分子与生俱来的百变潜力。相比传统小分子药物而言，PROTAC是一个非常新的治疗手段。PROTAC并不直接对致病蛋白发起攻击，而是以一种非常巧妙的方式调动了人体内天然的资源，对致病的蛋白进行干预和降解，与时下非常热门的免疫疗法有着异曲同工之妙。PROTAC分子有一些显而易见的优点。相比传统小分子抑制剂，PROTAC在给药剂量方面优势明显，它可以重复循环发挥其功效，如同化学反应中常见的催化剂，所以理论上催化量的用量就足够了。这样有望大大降低用药剂量和浓度，从环保和对人体安全的考虑上都更有应用的潜力和优势。
▲占据驱动原理的传统小分子抑制剂局限性（图片来源：参考资料[1]）传统小分子药物往往只能作用于有明确活性位点的目标蛋白，比如酶类，通过与其活性位点的结合，抑制其作用。这种作用方式在很多场景下并不能够达到应有的作用，比如有一些致病蛋白不是以酶的形式发挥功效的，类似翻译转录蛋白，细胞支架蛋白；此外，在目标蛋白过度表达、其他竞争性配体过度表达，或者靶蛋白的活性位点发生突变时，传统小分子抑制剂的作用都暴露出了局限性。还有一些蛋白是通过与其他蛋白发生相互作用来产生功效（protein protein interaction，PPI），因此难以被小分子药物识别活性位点并抑制其影响。在传统意义上这些蛋白质形态被认为是“不可成药”靶点，但是PROTAC分子的作用机制可以克服这些局限性。PROTAC分子根本不需要与靶蛋白长久的结合以抑制其活性，而是诱导其被彻底降解，一劳永逸。随着人们对PROTAC的持续探索，越来越多的应用有望从概念走向现实。2001年是PROTAC技术的元年，Craig Crews和Raymond Deshaies的团队在实验室中实现了利用泛素连接酶E3降解MetAP-2 enzyme，首次提出了PROTAC这个概念；2003年Crews团队通过微注射技术将PROTAC分子注射到一个完整的细胞中，实现了对雄激素和雌激素受体（AR和ER receptor）的降解，证明了PROTAC技术在细胞内应用的可能性；2004年，在引入一条多肽链之后，首个可以穿透细胞膜的PROTAC分子被设计出来；同年，诺贝尔化学奖颁给了以色列科学家Aaron Ciechanover、Avram Hershko和美国科学家Irwin Rose，以表彰他们在泛素催化的蛋白降解方面做出的贡献。2008年是一个分水岭，之前的PROTAC分子被称为第一代PROTAC，作为概念验证是成功的，但是其弊端也很明显：需要在相对浓度比较高的情况下工作，而且多肽链的细胞穿透力比较差。而在2008年，全部由小分子构建的PROTAC药物模式出现了，它们对细胞的穿透性很高，被称为第二代PROTAC。2013年，关于PROTAC的体内研究表明PROTAC疗法可以抑制肿瘤的生长。此后进一步的研究表明PROTAC可以在非常低的浓度下，比如纳摩尔级浓度下工作。
▲2001-2016 PROTAC的进化历程（图片来源：参考资料[3]）在2019年，PROTAC领域的先行者，Arvinas公司推动首款PROTAC药物ARV-110 进入了临床的研究，这是一款针对男性前列腺癌的药物。3个月之后，Arvinas的第二款PROTAC药物，针对女性乳腺癌的ARV-471也进入了临床1期研究。近日，Arvinas宣布这两款药物在临床早期中均取得了积极的结果，前景非常光明。在全球疫情爆发的大背景下，新药研发产业机遇与挑战并存。当前有几个因素严重制约产业发展，首当其冲的就是新药研发的经济和时间成本都非常高，这也就是我们经常说的“双十原则”：一款新药的诞生需要投入超过10亿美元的研发成本和10年的研发周期。技术不成熟，缺少结构新颖的化合物，同时化合物合成难度大，这些因素都是制约新药开发速度与效率的瓶颈。PROTAC的出现，为小分子新药开发打开了一个广阔的新世界。首先，人体内有600多种泛素连接酶E3，目前PROTAC技术只用到了其中的几种，巨大的蓝海正在等待业界去探索。其次，PROTAC是一项非常新的技术，而正是由于这个技术出现的时间很短，目前只有为数不多的分子进入临床研究，比如前面提及的ARV-110和ARV-471，但尚未有产品真正获批。这是一个全新的赛道，生物医药产业的创新者和创业者有望在这个领域全新出发，目前很多公司正在加码对PROTAC的研发投入，每一个人都可能在下一个拐点来临之际实现弯道超车。药明康德化学服务部依托20年的小分子合成经验积累，建立了专业的PROTAC平台，利用在PROTAC方面的经验和技术，为广大创新合作伙伴提供有力的技术支持，提供各种特殊结构PROTAC分子的定制合成，量级从毫克级研发到公斤级放大，并凭借高效、快捷的标准化试剂购买及定制化的合成服务，为合作伙伴降低开发壁垒，加速研发进程。对PROTAC分子来说，除了分子设计与合成存在挑战，同样存在挑战的还有分离纯化。PROTAC分子往往有一些溶解性低、稳定性差、高极性的特征。药明康德以专业的团队专注于PROTAC分子的分析和纯化，迄今，已经分离过超过2000种不同的PROTAC分子，并针对手性和非手性PROTAC分子开发了200多种特定的分析方法。
随着蛋白降解疗法受到越来越多的关注，多家专注于蛋白降解疗法开发的新锐公司也获得了资本的青睐，例如Arvinas、Kymera Therapeutics、Nurix Therapeutics、C4 Therapeutics等公司。今年来，多家公司完成超过1亿美元不同轮次的融资，其中Kymera Therapeutics、Nurix Therapeutics、C4 Therapeutics三家公司更是先后登陆纳斯达克。我们期待不远的将来，在这个全新的赛道上，PROTAC分子能够不断涌现，有更多新药好药问世，为广大病患带去福音。
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[1] Stacey-Lynn Paiva and Craig M Crews., Targeted protein degradation: elements of PROTAC Design., Current Opinion in Chemical Biology 2019, 50:111–119. DOI: 10.1016/j.cbpa.2019.02.022[2] Dhanusha A. Nalawansha and Craig M. Crews., PROTACs: An Emerging Therapeutic Modality in Precision Medicine, Cell Chemical Biology(2020),DOI:10.1016/j.chembiol.2020.07.020[3]Mariell Pettersson, Craig M. Crews., PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) — Past, present and future., Drug Discovery Today: Technologies 2019, 31, 15-27. DOI: 10.1016/j.ddtec.2019.01.002[4] Yau, R., Rape, M. The increasing complexity of the ubiquitin code. Nat Cell Biol 18, 579–586 (2016). https://doi.org/10.1038/ncb3358
