利用小分子选择性调控蛋白质的功能是医学发展的基石。然而，传统上，人类蛋白质组中仅有约20%的蛋白质被认为可通过这种机制调控，因为这些蛋白具有与功能相关的配体口袋（如酶的活性位点）。从药物开发的角度来看，这些蛋白被定义为可成药蛋白，更有可能与小分子药物以高亲和力结合。而如何靶向蛋白质组中剩下80%的蛋白，尤其是已知与疾病相关的蛋白是生物医学研究的一大挑战。现在，科学家们正利用细胞中天然存在的一种蛋白降解系统来攻克这一难题。
药物诱导蛋白质降解是使传统抑制剂无法应对的疾病相关蛋白灭活的一种新兴策略。按作用机制分类，共有三种降解剂分子：1）以PROTACs为代表的二价降解剂；2）单价降解剂；以及3）分子胶降解剂。在设计方面，PROTACs相对简单（用一个linker连接泛素连接酶配体和特定靶点的配体），但这类分子往往较大，且具有不利的药物性质。相比之下，单价和分子胶降解剂能够小得多，使得它们非常具有吸引力。
在细胞中，E3（泛素）连接酶可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，细胞内的蛋白粉碎机（即，蛋白酶体）会处理掉被标记的靶蛋白。2004年，来自以色列和美国的三位科学家曾因发现“泛素介导的这种蛋白质降解过程”获诺贝尔化学奖。目前，药物研发领域的大热门——PROTACs技术就是基于这一机制研发而来，首个PROTACs药物已经进入临床开发阶段。根据作用机制，这类药物也被称为蛋白降解剂。
来源：Nature Chemical Biology
除PROTACs外，科学家们还发现，一类被称为分子胶（glue degrader）的小分子也可成功诱导靶蛋白的降解。沙利度胺类抗癌药物是分子胶的一个显著例子，这类药物可重定向E3泛素连接酶CRL4CRBN，从而使转录因子IKZF1和IKZF3多聚泛素化，导致IKZF1和IKZF3被蛋白酶体降解。类似地，抗癌磺胺类药物indisulam可引导CRL4DCAF15 E3泛素连接酶降解剪接因子RBM23和RBM39。
简单来说，分子胶降解剂是一类可诱导E3泛素连接酶底物受体与靶蛋白之间新型相互作用，从而导致靶蛋白降解的小分子。与PROTACs一样，由于分子胶减轻了对靶蛋白上的活性相关口袋（pockets）的需求，因此，有潜力极大扩展可成药的蛋白质靶点库。
目前已知的分子胶降解剂是通过化学重定向cullin-RING ligases(CRLs)来发挥作用。CRLs是E3泛素连接酶中最大的一个家族，通过将底物受体（substrate receptor, SRs）和适配器蛋白围绕不同的cullin骨架进行组装，形成了超过250种CRLs。小分子降解剂通常通过重定向CRL的底物受体(如CRBN或DCAF15)来发挥作用。
然而，尽管现有的分子胶显示出了靶向不可成药蛋白（如转录因子和剪接因子）的能力，但新型分子胶的发现非常具有挑战性。因为，已有的分子胶都是偶然发现的，目前还没有开发这类药物的合理策略。
来源：Nature Chemical Biology
8月3日，最新发表在Nature Chemical Biology杂志上的一项研究中，来自奥地利科学院的一个科学家团队报道了他们所开发的一种新方法，致力于通过表型化学筛选（phenotypic chemical screening）来发现新的分子胶降解剂。
具体来说，研究人员设计了E3连接酶活性广泛受损的细胞系统，并通过分析这些细胞模型与E3连接酶活性正常的细胞之间的生存能力差异来鉴定依赖于活性E3连接酶的化合物，而这些化合物可能就是他们想要寻找的新型分子胶降解剂。
Mayor-Ruiz等在两种细胞系中比较了2000种抑制细胞生长和细胞毒性化合物的药物敏感性。其中一种细胞系中，通过阻断CRL的类泛素化修饰，CRLs激活受损；另一种细胞系中，CRL的类泛素化修饰正常。在缺乏类泛素化修饰的情况下出现耐药，表明药物在细胞中起作用需要CRL有活性。
鉴定出了可重定向CRL4DCAF15连接酶的新分子胶降解剂——dCeMM1 （来源：Nature Chemical Biology）
研究人员整合了功能基因组学、蛋白质组学和药物相互作用策略来确定最有希望的化合物。首先，他们通过发现一种新的RBM39分子胶降解剂——dCeMM1 验证了利用这一方法来发现新型小分子降解剂是可行的。dCeMM1通过重定向CRL4DCAF15连接酶的活性来发挥作用，结构与先前被报道过的其它分子胶非常相似。
dCeMM2/3/4是一类新的、结构上不同的cyclin K降解剂（来源：Nature Chemical Biology）
接着，研究者们还发现了一组可诱导cyclin K降解的新型分子胶——dCeMM2/3/4。cyclin K在许多不同类型的癌症中都是必不可少的。CRISPR筛选显示，cyclin K降解同时需要CUL4和DDB1。dCeMM2/3/4这些新型cyclin K降解剂通过一种涉及“ E3 CUL4B:DDB1 ”的前所未有的分子作用机制发挥作用：通过促进CDK12–cyclin K与CRL4B连接酶复合物（Cullin 4B-Ring E3 ligase complex）的相互作用来诱导CyclinK的泛素化和降解。
CUL4B属于Cullin基因家族，是Cullin4B-Ring E3泛素连接酶复合物（CRL4连接酶复合物）的骨架蛋白；DDB1是CUL4的适配器蛋白，可结合20多个称为DCAFs的CRL4底物受体。通常，DDB1-DCAF复合物将底物招募到CRL4，不过，在这项新研究中，科学家们发现，CDK12–cyclin K可以直接与DDB1结合（下图）。
来源：Nature Chemical Biology
领导该研究的Georg E. Winter博士认为，这项成果为发现分子胶降解剂提供了首个框架。他说：“未来，我们非常有希望利用精心研发而来的分子胶降解剂有效清除通过传统药理学途径无法靶向的致病蛋白。”
上海科技大学 仓勇教授
利用小分子化合物靶向降解蛋白质是一种使传统方法难以解决的靶点失活的新兴策略[1, 2]。异双功能PROTACs由三部分组成，包括泛素连接酶配体、linker以及兴趣蛋白配体，通过诱导兴趣蛋白的泛素化导致其被蛋白酶体系统降解，不过，PROTACs的分子量和药物性质不属于典型的化学药物范围[3]。相比之下，更小的分子胶降解剂，包括沙利度胺类似物（thalidomide analogues）[4-7]和芳基磺胺类化合物[8-10]，可诱导cullin 4-RING E3泛素连接酶(CRL4)与不同靶点之间的蛋白-蛋白互补结合，导致靶点泛素化以及被清除（下图从多个方面比较了分子胶降解剂与PROTAC降解剂）。然而，到目前为止，所有这些已知的分子胶降解剂都是偶然发现的，我们仍然缺乏有效的手段来系统性地筛选全新的分子胶化合物。
今年6月3日，Benjamin Ebert和Nicolas Thoma领导的研究团队在Nature杂志上首次发表了主动发现分子胶降解剂的论文[11]。通过在数百个癌细胞系中建立化合物毒性作用与泛素连接酶表达之间的关联，他们发现，CDK12激酶抑制剂CR8是桥接CDK12与DDB1 (CRL4 adaptor)相互作用的一种真正的胶分子。在CR8的帮助下，CDK12结合的cyclin K可被CRL4进行泛素修饰并被蛋白酶体降解。而在最新发表于Nature Chemical Biology杂志上的这篇论文中[12]，George Winter带领的团队鉴定出了化学型不同的cyclin K分子胶降解剂，其作用机制与之前发表的相同。但是Winter等采取了一种完全不同的方法，他们从表型筛选开始，寻找以依赖细胞cullin泛素连接酶活性的方式杀死癌细胞的化合物。这种筛选模式可应用于更大的化学文库来发现具有新机制的新型降解剂，而不限于Winter等使用的2000种细胞毒性化化合物，或Ebert和Thoma团队覆盖的临床前和临床化合物。值得一提的是，从这两项研究发现的cyclin K降解剂都含有可诱导CDK12-DDB1复合物形成的吡啶基部分。探索这一化学区域来合理设计靶向DDB1的分子胶可能会很有趣。
在过去的13年里，我的实验室一直致力于CRL4泛素连接酶的生物学研究，并着眼于靶向CRL4的相关疗法的开发。三年前，我来到了充满活力和资源丰富的上海科技大学，带领团队采用了一种大胆的化学生物学方法来发现癌蛋白的分子胶降解剂。我们的工作是基于一种假设，即CRL4底物受体CRBN表面的化学改变可以使其与新底物结合(模型如下)。通过结合表型筛选和蛋白质组分析，我们已经鉴定出了可消除两个已知肿瘤靶点的新颖化合物。这两个靶点分别调节细胞周期检查点和KRAS信号传导。
总结来说，分子胶降解剂是已经在临床上被验证的药物类型，比PROTACs更像药，但现阶段还不能实现根据感兴趣的靶点来设计出相应的分子胶。不过，学术界和产业界的共同努力正在逐步解开越来越多的胶结构，这些知识的积累最终将使我们能够合理设计这类分子。
在转化方面，多个由高校科学家创办的生物技术初创公司已经在行动。位于Viena 的MonteRosa Therapeutics和位于圣地亚哥的Coho Therapeutics这两家公司致力于利用对底物-连接酶相互作用的结构解析来筛选新的分子胶；位于上海的Degron Therapeutics设计了分子胶库，并通过表型筛选和靶点发现来开发抗癌疗法；位于圣地亚哥的Vividion Therapeutics和BioTheryX将可靶向的泛素连接酶与分子胶筛选相结合，作为他们PROTACs管线的补充。此外，包括诺华和BMS在内的大型制药公司都有内部靶向蛋白降解项目，其中分子胶的探索是一个重要部分。
Arvinas花了6年时间才将首个PROTAC应用到第1例患者中进行测试。我们应该乐观地认为，一旦打破设计瓶颈，分子胶降解剂这类药物可能比我们预期更快地帮助到病人。
以下是仓勇教授点评内容的英文原文：
Targeted protein degradation with small molecule compounds is an emerging strategy to inactivate therapeutic targets that are intractable by traditional pharmacological approaches1,2. Heterobifunctional PROTACs (proteolysis targeting chimeras) ligand targets to ubiquitin ligases, but the molecular weight and pharmaceutical properties of PROTACs fall outside of the typical range of chemical drugs3. By contrast, much smaller molecular glue degraders, including thalidomide analogues4-7 and aryl sulfonamides8-10, induce complementary protein-protein interactions between cullin 4-RING E3 ubiquitin ligase (CRL4)and various targets, leading to target ubiquitination and depletion. However, all these molecular glue degraders have thus far only been found serendipitously, and systematic discovery of novel molecular glue degraders is not yet in place.On June 3 this year, Benjamin Ebert and Nicolas Thoma published in Nature the first undertaking to proactively discover molecular glue degraders11. By correlating compound cytotoxicity and ubiquin ligase expression across hundreds of cancer cell lines, they identified the CDK12 kinase inhibitor CR8 as a bona fide glue molecule that bridges the interaction between CDK12 and DDB1, the CRL4 adaptor, thus exposing CDK12-bound cyclin K to the range for modification by CRL4. In this Nature Chemical Biology paper12, George Winter identified different chemotypes as molecular glue degraders of cyclin K, following the same mechanism of action as published earlier. However, Winter took a totally different approach; he started with a phenotypic screen for compounds that could kill cancer cells in a way dependent on cellular cullin ubiquitin ligase activities. This screen format can be applied to compound libraries beyond the 2000 cytotoxic chemicals used by Winter or the preclinical and clinical compounds covered by Ebert and Thoma, for discovery of novel degraders with novel mechanisms. Finally, the cyclin K degraders from both studies harbor a pyridyl moiety that induces the CDK12-DDB1 complex formation. It might be interesting to explore this chemical space to rationally design DDB1-targeted glue molecules.My lab has been working on the biology of CRL4 ubiquitin ligases in the past 13 years, always with an eye on targeting CRL4 for therapeutic development. After moving to the vibrant and resourceful ShanghaiTech University 3 years ago, my lab took a bold chemical biology approach to discover molecular glue degraders of oncoproteins. Our workis based on a hypothesis that chemical alteration of the surface of CRBN, a CRL4 substrate receptor, would enable binding to neo-substrates. By combining phenotypic screen and proteomic analysis, we have identified novel chemotypes that deplete two known oncology targets that regulate the cell cycle checkpoint and KRAS signaling respectively.Criteria to evaluate the impact of any biomedical research must include its long term benefits to human health. Several biotech startups founded by academic researchers are already dedicating themselves to translating lab discoveries to clinical development. Monte RosaTherapeutics in Viena and Coho Therapeutics in San Diego employ structural insights into substrate-ligase interactions to screen for novel glue molecules. Degron Therapeutics in Shanghai designs glue molecule libraries and develop cancer therapeutics with phenotypic screen and target discovery. Vividion Therapeutics and BioTheryX, both in San Diego, couple targetable ubiquitin ligases with molecular glue screens, as a backup to their PROTAC pipelines. Bigpharmas including Novartis and BMS have internal targeted protein degradation programs in which molecular glue discovery is an integral part.In Summary, molecular glue degraders are clinically proven and more drug-like than PROTACs, but at this stage not amenable to chemical design if specific targets of interest are to be degraded. However, collective efforts from academia and industry are on track to unravel increasing number of glue structures together their targets, eventually allowing us to rationally design such molecules. It took 6 years for Arvinas to bring the first PROTAC to be tested in the first patient. We should be optimistic that molecular glue degrader discovery might break the design bottleneck and expand the approved drugs in this category much sooner than we expected.相关论文：
[1] Schapira, M., Calabrese, M. F., Bullock,A. N. & Crews, C. M. Targeted protein degradation: expanding the toolbox.Nat Rev Drug Discov 18, 949-963, doi:10.1038/s41573-019-0047-y (2019).[2] Chopra, R., Sadok, A. & Collins, I. A critical evaluation of the approaches to targeted protein degradation for drug discovery. Drug Discov Today Technol 31, 5-13, doi:10.1016/j.ddtec.2019.02.002 (2019).[3] Nguyen, K. M. & Busino, L. Targeting the E3 ubiquitin ligases DCAF15 and cereblon for cancer therapy. Semin Cancer Biol https://doi.org/10.1016/j.semcancer.2020.03.007,doi:10.1016/j.semcancer.2020.03.007 (2020).[4] Matyskiela, M. E. et al. A novel cereblon modulator recruits GSPT1 to the CRL4(CRBN) ubiquitin ligase. Nature 535, 252-257,doi:10.1038/nature18611 (2016).[5] Petzold, G., Fischer, E. S. & Thoma, N. H. Structural basis of lenalidomide-induced CK1alpha degradation by the CRL4(CRBN) ubiquitin ligase. Nature 532, 127-130, doi:10.1038/nature16979 (2016).[6] Kronke, J. et al. Lenalidomide causes selective degradation ofIKZF1 and IKZF3 in multiple myeloma cells. Science 343, 301-305,doi:10.1126/science.1244851 (2014).[7] Lu, G. et al. The myeloma drug lenalidomide promotes the cereblon-dependent destruction of Ikaros proteins. Science 343, 305-309,doi:10.1126/science.1244917 (2014).[8] Bussiere, D. E. et al. Structural basis of indisulam-mediated RBM39 recruitment to DCAF15 E3 ligase complex. Nat Chem Biol 16, 15-23,doi:10.1038/s41589-019-0411-6 (2020).[9] Uehara, T. et al. Selective degradation of splicing factor CAPERalpha by anticancer sulfonamides. Nat Chem Biol 13, 675-680,doi:10.1038/nchembio.2363 (2017).[10] Han, T. et al. Anticancer sulfonamides target splicing by inducing RBM39 degradation via recruitment to DCAF15. Science 356,doi:10.1126/science.aal3755 (2017).[11] Slabicki, M. et al. The CDK inhibitor CR8 acts as a molecular glue degrader that depletes cyclin K. Naturehttps://doi.org/10.1038/s41586-020-2374-x, doi:10.1038/s41586-020-2374-x(2020).[12] Mayor-Ruiz, C. et al. Rational discovery of molecular glue degraders via scalable chemical profiling. Nat Chem Biol,doi:10.1038/s41589-020-0594-x (2020).1# Discovering Nature’s super glue（来源：Nature Chemical Biology ）2# Drug discovery: First rational strategy to find molecular glue degraders（来源：CeMM Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences）3# CRL4B协同Snail/HDAC抑制E-cadherin表达，促进乳腺癌细胞EMT进程（来源：山东大学）4# CUL4B在结肠癌组织中的表达及意义（来源：宁夏医科大学学报）
