PROTACs 彻底改变了小分子药物

研究人员正在探索 PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) 如何有望治疗癌症、神经退行性疾病以及其他难治性疾病。PROTACs 是一类异双功能小分子，有助于利用泛素-蛋白酶体系统进行蛋白质降解，被视为靶向蛋白降解剂 (TDPs) 的一个子集。它们由配体-连接子-募集部分组成，将需要降解的蛋白质与 E3 连接酶结合在一起。这最终导致该蛋白质被降解，而 PROTAC 则被循环利用，以重复该过程处理另一个蛋白质分子。  

PROTACs 的变体包括：  

• PROteolysis Targeting 抗体（PROTABs）  ‍
• 分子胶
• 溶酶体靶向嵌合体（LYTACs）
• 巨噬细胞降解靶向嵌合体（MADTACs）

我们分析了 CAS Content Collection^TM，这是全球最大的人工收录科学信息合集。为了更好地了解近年来研究布局的变化，我们发现过去几年中，与 PROTACs 相关的期刊和专利发表量显著增加（见图 1）。我们的分析还揭示了哪些 PROTACs 正受到研究人员的青睐，以及它们最常被用于靶向哪些疾病。

PROTACs 如何靶向蛋白质

蛋白质降解是消除受损或错误折叠蛋白质的正常生理过程。PROTACs 通过在目标蛋白（即在癌症和其他疾病中发挥作用的蛋白质）与 E3 连接酶之间充当桥梁，从而促进这一过程。这些连接酶用泛素标记目标蛋白；泛素标签向泛素-蛋白酶体系统发出信号，表明该蛋白质分子将被降解。PROTACs 使这些连接酶与目标蛋白紧密接触，从而实现泛素化及随后的降解（见图 2）。

PROTAC 分子本身由配体-连接子-募集部分组成，其中配体作为靶向目标蛋白的手段，连接子用于在目标蛋白与 E3 连接酶之间提供最佳间距，而募集部分则用于结合相应的 E3 连接酶。

最初，PROTAC 由配体-连接子-募集部分组成，且仅针对单一目标蛋白。然而，新的发展带来了不同的 PROTAC 设计，能够以多种方式靶向蛋白质：

• 双靶点和多靶点 PROTAC： 与传统 PROTAC 不同，这些 PROTAC 可设计用于靶向多种类型的蛋白质。 ‍
• 基于肽的 PROTAC： 这些 PROTAC 利用基于肽的部分代替小分子作为传统 PROTAC 中的靶向配体。这使其能够靶向那些尚无现有小分子抑制剂的蛋白质。 ‍
• bioPROTAC： 这些由工程化 E3 连接酶组成，并附着有类似于传统 PROTAC 中靶向配体的蛋白质，可与目标蛋白相互作用。 ‍
• 胞内点击化学形成的蛋白水解靶向嵌合体 (CLIPTAC)： CLIPTAC 的研发旨在克服 PROTAC 口服给药方面的问题。它们通过先后给予靶向配体和 E3 募集部分，在细胞内形成 PROTAC；胞内偶联利用了连接在 E3 募集部分上的四嗪与连接在靶向配体上的反式环辛烯之间的反电子需求 Diels–Alder (IEDDA) 环加成反应。 ‍
• 点击释放型 PROTAC (crPROTACs)： 这些 PROTAC 与 CLIPTACs 类似，均利用 IEDDA 反应。其设计理念是施用 PROTAC 前药，仅在目标区域或部位释放活性形式。 ‍
• 光化学靶向嵌合体 (PHOTACs)： 这些分子在光激活后可实现最大程度的蛋白质降解，从而赋予其选择性，并有望减少脱靶效应。

E3 连接酶引发的研究兴趣

由于 PROTAC 需要招募 E3 连接酶，我们分析了 CAS Content CollectionTM 中近 2,000 篇与 PROTAC 相关的文献，发现了四种研究人员特别感兴趣的 E3 连接酶（见图 3）。  

• Cereblon： 这是一种由约 440 个氨基酸残基组成的蛋白质，它与多种蛋白质相互作用，共同形成 E3 泛素连接酶复合物。Cereblon 被认为是 PROTAC 研究中探索最广泛的 E3 连接酶。 ‍
• VHL： 它与延伸蛋白 B (elongin B)、延伸蛋白 C (elongin C)、Cullin 2 和 RING 盒蛋白 1 (Rbx1) 结合，作为 CRL2（一种 Cullin-RING E3 连接酶复合物）的底物识别受体/亚基发挥作用。 ‍
• IAP： 这是一个蛋白质家族，包括细胞 IAP1 (cIAP1)、cIAP2 和 X 连锁 IAP (XIAP)。依赖 IAP 招募的 PROTAC 通常被称为特异性非遗传性 IAP 依赖性蛋白质清除剂 (SNIPERs)。 ‍
• MDM2： 这是一种由约 480 个氨基酸残基组成的蛋白质，其过表达与化疗耐药性有关。

我们确定了文献中 E3 连接酶、底物识别受体和蛋白质靶点之间的共现关系（见图 4）。Cereblon 和 VHL 与含溴结构域蛋白的共现频率最高。与 Cereblon 常见的其他共现对象包括 B 细胞白血病和淋巴瘤蛋白、雄激素受体 (AR) 以及雌激素受体 (ER)。MDM2 和 IAP 在蛋白质靶点上的分布则更为均匀：

PROTAC 靶向癌症、传染病和神经退行性疾病

我们的分析表明，癌症仍然是 PROTAC 研究的主要靶向疾病，其次是传染病和神经退行性疾病（见图 5）。

乳腺癌、前列腺癌和黑色素瘤是与 PROTAC 共现最常见的实体瘤，近期在前列腺癌中靶向 AR 以及在乳腺癌中靶向 ER 的突破性进展，解释了这些疾病在文献中的高频出现。

诸如 阿尔茨海默病 和 帕金森病等涉及蛋白质错误折叠的神经退行性疾病，也可能成为蛋白质降解 PROTAC 的靶点。如果这些小分子药物能够成功清除导致这些疾病的缺陷蛋白，则可能标志着在解决病因而非仅仅缓解症状方面取得重要的治疗突破。例如，Tau 蛋白在 PROTAC 领域的相关文献数量日益增加（见图 6），这表明人们对开发用于神经退行性疾病的此类药物兴趣正不断提升。  

其他常见的蛋白质靶点包括雄激素受体（AR）、雌激素受体（ER）和含溴结构域蛋白，以及迄今为止难以用小分子药物治疗的蛋白质，如 KRAS 和 BCL2。尽管这些研究大多针对 AR 和 ER，尚未产生临床候选药物，但它们为靶向这些在多种癌症中发挥重要作用的蛋白质提供了新的可能性。

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PROTAC 临床试验增长迅速

自 2020 年以来，处于临床前开发阶段的药物数量增加了四倍多。截至 2024 年，处于 I 期和 II 期临床试验的 PROTAC 药物各有六种（见图 7）。考虑到与 PROTAC 相关的最早期刊文献可追溯至 2001 年（距今仅二十多年），这一进展十分显著。

这些试验大多针对未明确类型的癌症，但乳腺癌和前列腺癌也占据显著地位。针对后两种疾病的药物已进入 II 期和 III 期临床试验。例如，由 Arvinas 和辉瑞公司（Pfizer）共同研发的用于治疗乳腺癌的 PROTAC 药物 vepdegestrant (ARV-471) 已进入 III 期临床试验（参考文献）。GT20029 是由苏州开拓药业研发的首款外用 PROTAC 药物，也是另一种针对 AR 的极具前景的治疗方法，目前已进入 II 期临床试验。  

针对阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿舞蹈病相关蛋白质靶点的临床前试验也在进行中，涉及 HIV、乙型肝炎和自身免疫性疾病的激酶研究亦是如此。PROTAC 药物所探索的靶点多样性，证明了这些药物在应对多种难治性疾病方面的潜力。

克服 PROTAC 临床应用的挑战

尽管 PROTACs 前景广阔，但其开发仍处于早期阶段，在进入广泛临床应用之前，必须解决一些重大挑战。一个关键的发展方向是确保 PROTACs 仅与受损或不健康细胞中的靶蛋白结合。脱靶效应（即 PROTACs 降解健康细胞中的蛋白质）可能造成严重危害。解决这一问题的潜在方案是设计新型 PROTACs，例如 PHOTACs 和 CLIPTACs，它们有望实现活性 PROTACs 的时空释放。

表征是另一个挑战——大多数表征技术侧重于测试设计的 PROTACs 是否与目标蛋白结合，但并未测试或考虑 PROTACs 与活细胞内目标蛋白之间的相互作用。这种知识的缺失阻碍了人们深入了解 PROTACs 可能在哪个环节失效。

最后，由于 PROTACs 通常不符合“里宾斯基五规则”（Lipinski’s rule of five），因此很难将其设计为口服药物。开发新的制剂和 药物递送系统 对于克服这一障碍至关重要。  

这些进展需要投入大量的研究精力，但非传统模式（如 共价抑制剂 ）的进展表明，新方法可以在新疗法中发挥重要作用。鉴于在靶向驱动癌症和其他疾病的蛋白质方面有巨大的获益空间，科学界投入时间和精力来解锁这些突破是明智之举。