PROTACは低分子医薬品を革命的に変える

研究者は、どのようにして PROteolysis TArgeting Chimeras（PROTAC）が、がんや神経変性疾患、その他治療困難な疾患を治療できる可能性があるのかを調査しています。PROTACは、ユビキチン・プロテアソーム系を介したタンパク質分解を促進するヘテロ二官能性低分子であり、標的タンパク質分解誘導剤（TPD）の一種と見なされています。これらはリガンド、リンカー、リクルート部位で構成され、分解が必要なタンパク質とE3リガーゼを結合させます。最終的にそのタンパク質は分解され、PROTACはリサイクルされて別のタンパク質分子に対して同じプロセスを繰り返します。  

PROTACのバリエーションには以下が含まれます：  

• PROteolysis Targeting 抗体（PROTAB）  ‍
• 分子グルー
• リソソーム標的キメラ（LYTAC）
• マクロファージ分解標的キメラ（MADTAC）

私たちは、 CAS コンテンツのコレクション^TM（科学情報の人間によるキュレーションとしては世界最大規模のコレクション）を分析し、近年の研究環境の変化をより深く理解しようと試みました。その結果、ここ数年でPROTACに関連するジャーナル論文および特許公開件数が著しく増加していることが分かりました（図1を参照）。また、今回の分析により、どのPROTACが研究者の間で注目を集めているのか、そしてそれらがどのような疾患の標的として最も利用されているのかも明らかになりました。

PROTACによるタンパク質標的化の仕組み

タンパク質の分解は、損傷したタンパク質や折り畳み異常を起こしたタンパク質を除去するための正常な生理学的プロセスです。PROTACは、標的となるタンパク質（がんやその他の疾患に関与するもの）とE3リガーゼの橋渡しをすることで、このプロセスを促進します。これらのリガーゼは標的タンパク質にユビキチンを付加します。このユビキチンタグが、そのタンパク質分子を分解すべきであるという信号をユビキチン・プロテアソーム系に伝えます。PROTACは、これらのリガーゼを標的タンパク質のすぐ近くに引き寄せることで、ユビキチン化とそれに続く分解を可能にします（図2を参照）。

PROTAC分子自体は、リガンド、リンカー、リクルート部位で構成されています。リガンドは標的タンパク質を狙う手段として機能し、リンカーはタンパク質とE3リガーゼ間の最適な間隔を確保し、リクルート部位は適切なE3リガーゼを結合させる役割を担います。

当初、PROTACはリガンド、リンカー、リクルート部位で構成され、1つの標的タンパク質を対象としていました。しかし、新たな開発により、さまざまな方法でタンパク質を標的とできる異なるPROTAC設計が登場しています。

• デュアルおよびマルチターゲットPROTAC： 従来のPROTACとは異なり、これらは複数の種類のタンパク質を標的とするように設計できます。 ‍
• ペプチドベースのPROTAC： これらは、従来のPROTACにおける標的リガンドとして、低分子の代わりにペプチドベースの部位を利用します。これにより、既存の低分子阻害剤が存在しないタンパク質を標的とすることが可能になります。 ‍
• bioPROTAC： これらは、従来のPROTACにおける標的リガンドのように機能し、標的タンパク質と相互作用するタンパク質が結合した、改変型E3リガーゼで構成されています。 ‍
• 細胞内クリック形成型タンパク質分解誘導剤（CLIPTAC）： CLIPTACは、PROTACの経口投与における課題を克服するために研究されてきました。これらは、標的リガンドとE3リクルート部位を順次投与することで細胞内でPROTACを形成します。細胞内での結合には、E3リクルート部位に結合したテトラジンと、標的リガンドに結合したトランスシクロオクテンとの間の逆電子要請型ディールス・アルダー（IEDDA）環化付加反応が利用されます。 ‍
• クリックリリース型PROTAC（crPROTAC）： これらはCLIPTACと同様にIEDDA反応を利用します。PROTACのプロドラッグ版を投与し、目的の領域や部位でのみ活性型を放出させるという考え方です。 ‍
• 光化学的標的キメラ（PHOTAC）： これらは光活性化によって最大限のタンパク質分解を実現し、選択性を付与するとともに、オフターゲット効果を低減できる可能性があります。

研究の関心を集めるE3リガーゼ

PROTACによってE3リガーゼがリクルートされるため、CAS コンテンツのコレクションにある約2,000件のPROTAC関連文献を分析したところ、研究者が特に注目している4つのE3リガーゼが見つかりました（図3を参照）。  

• セレブロン（Cereblon）： 約440個のアミノ酸残基から構成されるタンパク質で、多数のタンパク質と相互作用してE3ユビキチンリガーゼ複合体を形成します。セレブロンは、PROTACに関連して最も研究されているE3リガーゼと考えられています。 ‍
• VHL： これは、エロンギンB、エロンギンC、カリン2、およびRINGボックスプロテイン1（Rbx1）と結合し、カリン-RING E3リガーゼ（CRL）複合体であるCRL2の基質認識受容体／サブユニットとして機能します。 ‍
• IAP： 細胞性IAP1（cIAP1）、cIAP2、およびX連鎖IAP（XIAP）を含むタンパク質ファミリーです。IAPのリクルートに依存するPROTACは、しばしばSNIPER（specific and nongenetic IAP-dependent protein erasers：特異的かつ非遺伝的なIAP依存性タンパク質消去剤）と呼ばれます。 ‍
• MDM2： 約480個のアミノ酸残基から構成されるタンパク質で、その過剰発現は化学療法に対する耐性と関連付けられています。

文献において、E3リガーゼ、基質認識受容体、およびタンパク質標的の共起を特定しました（図4を参照）。セレブロン（Cereblon）とVHLは、ブロモドメイン含有タンパク質と最も頻繁に共起しています。セレブロンと頻繁に共起する他のものには、B細胞白血病およびリンパ腫タンパク質、アンドロゲン受容体（AR）、エストロゲン受容体（ER）が含まれます。MDM2とIAPは、タンパク質標的全体に均等に分布しています：

PROTACはがん、感染症、神経変性疾患を標的とする

我々の分析によると、PROTAC研究の標的となる疾患として依然としてがんが最も多く、次いで感染症、神経変性疾患が続きます（図5を参照）。

乳がん、前立腺がん、メラノーマは、PROTACと共起する最も一般的な固形がんです。前立腺がんにおけるARおよび乳がんにおけるERを標的とする最近のブレイクスルーが、文献におけるこれらの疾患の多さを説明しています。

以下のような神経変性疾患も アルツハイマー病 および パーキンソン病（これらはタンパク質の折り畳み異常を伴います）は、タンパク質分解PROTACの標的となる可能性があります。これらの低分子医薬品が、疾患の原因となる欠陥タンパク質を破壊できれば、症状だけでなく原因に対処する重要な治療のブレイクスルーとなる可能性があります。例えばタウタンパク質は、PROTAC分野で出版物が増加しており（図6を参照）、神経変性疾患に対するこれらの薬剤開発への関心の高まりを示しています。  

その他の一般的なタンパク質標的としては、AR、ER、ブロモドメイン含有タンパク質などが挙げられますが、KRASやBCL2のように、これまで低分子医薬品による治療が困難であったタンパク質も含まれます。これらの取り組みは、その多くがARやERを対象としているため、まだ臨床候補薬の創出には至っていませんが、さまざまな癌において重要な役割を果たすこれらのタンパク質を標的とする新たな可能性を提示しています。

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急速に増加するPROTACの臨床試験

2020年以降、前臨床段階にある薬剤の数は4倍以上に増加しました。2024年現在、第I相および第II相臨床試験にあるPROTACはそれぞれ6剤ずつ存在します（図7を参照）。PROTACに関連する最初の学術論文が2001年に発表されたことを考えると、わずか20年余りでこれほどの進展が見られたことは驚異的です。

これらの試験の多くは特定の癌種を対象としていませんが、乳癌や前立腺癌も顕著な対象となっています。後者の疾患に対する薬剤は、第II相および第III相試験にまで進んでいます。例えば、Arvinas社とファイザー社が乳癌治療薬として開発したPROTACであるvepdegestrant（ARV-471）は、第III相試験に到達しています（参照）。蘇州開拓薬業（Suzhou Kintor Pharmaceutical）が開発した初の局所投与型PROTACであるGT20029も、ARを標的とした有望な治療薬であり、第II相試験に到達しています。  

アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病に関与するタンパク質標的についても前臨床試験が進行中であり、HIV、B型肝炎、自己免疫疾患に関与するキナーゼについても同様です。PROTACによる治療のために探索されている標的の多様性は、これらの薬剤が治療困難な数多くの疾患に取り組む可能性を秘めていることを示しています。

PROTACの臨床使用における課題の克服

PROTACは非常に有望ですが、その開発はまだ初期段階にあり、広範な臨床使用に至るまでには解決すべき重要な課題があります。重要な開発ポイントの一つは、PROTACが損傷した細胞や不健康な細胞内の標的タンパク質にのみ結合するようにすることです。健康な細胞内のタンパク質をPROTACが分解してしまうオフターゲット効果は、非常に有害となる可能性があります。この問題に対する潜在的な解決策として、PHOTACやCLIPTACといった新しいタイプのPROTACの設計が挙げられます。これらは、活性型PROTACを時空間的に放出できる可能性があります。

特性評価もまた課題の一つです。ほとんどの特性評価技術は、設計されたPROTACが目的のタンパク質に結合するかどうかの試験に焦点を当てており、生細胞内でのPROTACと目的タンパク質との相互作用を試験したり考慮したりはしていません。このような不完全な知識が、PROTACが機能しなくなるポイントをより深く理解することを妨げています。

最後に、PROTACはリピンスキーの法則（Rule of Five）に適合しない傾向があるため、経口投与用に設計することは困難です。新しい製剤や ドラッグデリバリーシステム の開発が、この障害を克服するために必要となります。  

これらの進歩には集中的な研究努力が必要ですが、 共有結合阻害剤 のような非伝統的なモダリティの進歩は、新しいアプローチが新しい治療法において有意義な違いをもたらし得ることを示しています。がんやその他の疾患を促進するタンパク質を標的とすることで得られるものは非常に大きいため、科学コミュニティーがこれらのブレークスルーを実現するために時間と労力を投資することは賢明な判断です。