靶向蛋白质降解（TPD）旨在重新编程泛素-蛋白酶体系统的目标特异性，以诱导治疗性蛋白的选择性泛素化和降解。自20多年前提出以来，TPD主要由于双功能蛋白降解嵌合体（PROTACs）的设计改进和对分子胶降解剂潜在机制的理解而受到广泛关注。如今，PROTACs正处于首次临床批准的边缘，而对结构和机制的理解再结合新的技术，有望解锁蛋白质降解剂的设计。与此同时，随着新降解模式的发现，TPD领域正以创纪录的速度扩张，超越了分子胶降解剂和PROTACs。近期，Nature Reviews Cancer期刊上公布了一篇名为“Targeted protein degradation for cancer therapy”的综述性文章，在文章里，作者总结了该领域的最新进展，重点关注了新发现的降解模式、癌症治疗中临床降解候选药物的现状以及即将到来的设计方法。
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文章标题

内容要点

  • 泛素-蛋白酶体系统介导的蛋白质降解通过细胞内机制和外部刺激在多个层面受到高度调控。

  • 药物干预通过重新编程E3泛素连接酶和蛋白酶体来增强、减少或改变选定蛋白的降解，从而利用并模仿这些机制。

  • PROTACs使用专门的配体分别结合目标蛋白和E3连接酶，以诱导它们的接近、泛素转移和有效的蛋白降解。

  • 分子胶降解剂增强E3连接酶和目标蛋白之间预先存在的表面互补性，以诱导稳定的三元复合物的形成、泛素化和降解。

  • 新的降解策略，如分子内双价胶或模板辅助的共价降解尾，扩展了靶向蛋白降解的应用范围，并模糊了既定模式之间的界限。

  • 靶向蛋白降解的成功为其他基于接近诱导的模式铺平了道路，例如蛋白重定位或转录和表观遗传重编程。

UPS系统

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UPS系统机制示意图
泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-Proteasome System,UPS）：是细胞内主要的蛋白质降解途径，负责细胞内80-90%的蛋白质降解。它不仅参与旧的、受损的或错误折叠的蛋白质的清除，还在细胞周期调控、信号转导、基因表达、应激响应等多种细胞过程中发挥关键作用。
核心组成：UPS系统的核心组成部分包括泛素（Ubiquitin）、E1泛素激活酶、E2泛素结合酶和E3泛素连接酶，以及蛋白酶体（Proteasome）。

泛素化过程：泛素化是一个三步级联反应，涉及（1）激活：泛素被E1泛素激活酶激活。（2）结合：激活后的泛素转移到E2泛素结合酶。（3）连接：E2酶将泛素共价连接到目标蛋白上，这一过程由E3泛素连接酶催化。
蛋白质降解：被泛素化的蛋白质被蛋白酶体识别并降解。蛋白酶体由多个亚基组成，形成一个封闭的桶形结构，内部是蛋白水解室。只有被泛素标记的蛋白质才能进入蛋白酶体的水解室进行降解。降解后的短肽被释放到细胞质中，进一步被细胞内的其他酶分解为氨基酸，用于蛋白质的合成。
调控机制：UPS系统具有高度的选择性和调控性。E3泛素连接酶的特异性决定了目标蛋白的选择。细胞内有超过600种不同的E3连接酶，每种都能识别特定的目标蛋白。此外，UPS系统还通过多种翻译后修饰（PTMs）和调节蛋白进行调控，确保蛋白质降解的精确性和高效性。
生理和病理意义：UPS系统在维持细胞稳态、调控细胞周期、应激响应等方面发挥重要作用。例如，缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）在有氧条件下被E3连接酶VHL泛素化并降解，而在缺氧条件下，HIF-1α积累并启动转录反应。在病理状态下，UPS系统的失调与多种疾病相关，如癌症、神经退行性疾病和自身免疫性疾病。因此，UPS系统已成为药物研发的重要靶点，例如蛋白酶体抑制剂硼替佐米和卡非佐米已被用于治疗多发性骨髓瘤。
总之，UPS系统是一个复杂而精细的蛋白质降解机制，对细胞的正常功能和疾病的发生发展具有深远影响。

PROTAC和分子胶

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PROTACs和分子胶降解剂实现的靶向蛋白质降解
PROTACs和MGDs（分子胶降解剂）是TPD领域的两种主要技术，它们通过诱导目标蛋白的降解来实现治疗效果。
PROTACs： 是一种异双功能化合物，由两个独立的配体通过化学连接子连接而成。其中一个配体结合目标蛋白，另一个配体结合 E3 泛素连接酶。通过这种设计，PROTACs 能够将目标蛋白和 E3 连接酶拉近，形成一个三元复合体，从而促进目标蛋白的泛素化和随后的蛋白酶体降解。
PROTACs 的设计通常遵循“即插即用”策略，利用已有的目标蛋白和 E3 连接酶配体。其目标范围广泛，目前针对多种重要癌蛋白（如雌激素受体、表皮生长因子受体等）的降解剂正在临床开发中。由于某些目标蛋白更容易通过特定的 E3 连接酶降解，因此寻找高亲和力配体以扩展可用的 E3 连接酶种类成为研究重点。
MGDs： 是一种单价化合物，通过增强目标蛋白和 E3 连接酶之间的相互作用来促进目标蛋白的降解。与 PROTACs 不同，MGDs 通常不直接结合目标蛋白或 E3 连接酶，而是通过结合目标蛋白的相互作用子或改变目标蛋白的构象来增强其与 E3 连接酶的结合亲和力。这种机制类似于“分子胶”，能够增强两个蛋白之间预先存在的表面互补性和内在结合亲和力。
MGDs 的作用机制较为复杂，大多数已知的 MGDs 是免疫调节亚胺类药物（IMiDs）的衍生物，如沙利度胺、来那度胺和泊马度胺。这些化合物能够诱导多种目标蛋白的降解，包括 C2H2 锌指蛋白和非锌指蛋白。MGDs 的合理设计较为困难，目前大多数 MGDs 是通过大规模筛选偶然发现的。
总之，PROTACs 和 MGDs 都是通过诱导目标蛋白的泛素化和降解来实现治疗效果，但它们的作用机制和设计策略有所不同。PROTACs 通过直接将目标蛋白和 E3 连接酶拉近来促进降解，而 MGDs 则通过增强两个蛋白之间的相互作用来实现降解。这两种技术在癌症治疗中具有巨大的潜力，目前都在积极的临床开发中。

新型降解剂

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新型降解剂模式
  • 间接降解剂：通过将目标蛋白的相互作用子与E3连接酶结合，而不是直接将目标蛋白与E3连接酶结合。例如，CR8通过将CDK12招募到Cullin RING E3连接酶适配器DDB1上，使细胞周期蛋白K（Cyclin K）处于适合泛素化的位置，从而促进其降解。这种间接机制为降解那些难以直接靶向的蛋白提供了新的思路。
  • 内部分子双价胶（IBGs）：IBGs通过桥接目标蛋白的两个结构域，将它们排列成一种增强与E3连接酶相互作用的构象。例如，IBG1通过结合BRD4的两个溴结构域（BDs），增强了BRD4与DCAF16之间的相互作用，从而促进BRD4的降解。这种设计不仅提高了降解效率，还展示了通过调节蛋白构象来增强降解潜力的新方法。
  • 降解尾（Degradation Tails）：通过在非降解配体上添加特定的化学基团，将其转化为高效的降解剂。例如，GNE-0011通过添加一个温和的电philic丙炔胺尾部，能够诱导BRD2和BRD4的降解。这种策略为设计新型降解剂提供了灵活的化学修饰方法，有望应用于多种目标蛋白。
  • 核激素受体降解剂（SERDs）：通过置换雌激素受体（ER）的第12螺旋，破坏ER辅激活因子的募集，从而诱导ER的降解。例如，氟维司群（Fulvestrant）通过RNF111触发ER的降解，而其他具有丙烯酸侧链的SERDs则通过UBR5增强ER的内源性周转。这些SERDs为治疗雌激素受体阳性乳腺癌提供了新的选择。
  • SUMO依赖性降解：一些化合物通过诱导目标蛋白的SUMO化，使其被SUMO靶向泛素E3连接酶（STUbLs）识别并降解。例如，WRN抑制剂HRO671通过诱导WRN解旋酶结构域D2相对于D1的180°旋转，将其锁定在一种紧凑的、不活跃的构象中，从而被SUMO E3连接酶PIAS4和STUbL RNF4识别并降解。这种机制为降解那些难以通过传统方法靶向的蛋白提供了新的途径。
总之，这些新型降解剂通过创新的机制和设计，扩展了TPD的应用范围。这些降解剂不仅提高了降解效率，还展示了通过调节蛋白构象、化学修饰和SUMO化等方法来增强降解潜力的新思路。
TPD的临床优势
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临床优势
靶向蛋白质降解（TPD）是一种新兴的治疗策略，它通过选择性地降解疾病相关蛋白来实现治疗效果。与传统的抑制剂相比，TPD具有多项临床优势：
  • 高选择性：TPD通过诱导目标蛋白与E3泛素连接酶的结合，实现对特定蛋白的降解，减少了对非目标蛋白的影响，从而提高了治疗的选择性和特异性。
  • 强效力：TPD能够完全降解目标蛋白，彻底消除其功能，比传统抑制剂的部分阻断更为有效，可实现更持久和深入的治疗效果。
  • 低剂量：由于TPD的催化作用机制，它们可以在亚化学计量比的剂量下工作，这意味着可以使用较低的剂量来实现治疗效果，从而减少副作用。
  • 克服耐药性：TPD可以降解因突变而对抑制剂产生耐药性的蛋白，为治疗耐药性疾病提供了新的策略。
  • 宽治疗窗口：TPD的低剂量和高选择性可以扩大治疗窗口，使更多患者受益，同时减少给药频率，提高患者依从性。
综上所述，TPD的高选择性、强效力、低剂量和克服耐药性的能力，使其在临床治疗中具有显著的优势，为癌症等疾病的治疗提供了新的希望。
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