执行摘要
- PROTAC 是一种异双功能小分子，通过劫持泛素-蛋白酶体系统，将靶蛋白与 E3 连接酶连接起来，从而实现选择性降解而非抑制；它们的作用机制是从细胞中清除有害蛋白，而不仅仅是阻断其功能。
- 癌症是 PROTAC 治疗领域的主导方向，特别是通过雌激素和雄激素受体靶点治疗乳腺癌和前列腺癌；传染病和神经退行性疾病则是下一个主要的前沿领域。
- PROTAC 的临床转化正在加速，临床前候选药物数量自 2020 年以来翻了两番。例如，vepdegestrant (Veppanu) 于 2026 年 5 月获得美国 FDA 批准，而首款外用 PROTAC 药物 GT20029 在治疗脱发的 II 期临床试验中也显示出良好的前景。不过，脱靶降解、表征缺口以及口服生物利用度仍是亟待解决的问题。
研究人员正在探索 PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs，蛋白水解靶向嵌合体) 如何用于治疗癌症、神经退行性疾病及其他难治性疾病。PROTAC 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降解，被视为靶向蛋白降解剂 (TPD) 的一个子集。它们由配体-连接子-募集部分组成，将需要降解的蛋白与 E3 连接酶连接起来。最终导致该蛋白被降解，而 PROTAC 本身则被循环利用，以重复该过程处理另一个蛋白分子。
PROTAC 的变体包括：
我们分析了 CAS Content CollectionTM（全球最大的人工标引科学信息合集），以深入了解近年来研究格局的变化。我们发现，过去几年中，与 PROTAC 相关的期刊论文和专利数量均显著增加（见图 1）。我们的分析还揭示了哪些 PROTAC 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。
PROTAC 如何靶向蛋白
蛋白降解是清除受损或错误折叠蛋白的正常生理过程。PROTAC 通过充当靶蛋白（即在癌症和其他疾病中起作用的蛋白）与 E3 连接酶之间的桥梁来促进这一过程。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，表明该蛋白分子需要被降解。PROTAC 将这些连接酶带到靠近靶蛋白的位置，从而实现泛素化并随后进行降解（见图 2）。
“PROTAC: Proteolytic Targeting Chimera”。检索自 https://app.biorender.com/biorender-templates。
PROTAC 分子本身由配体-连接子-募集部分组成，其中配体用于靶向目标蛋白，连接子用于在蛋白和 E3 连接酶之间提供最佳间距，而募集部分则用于结合适当的 E3 连接酶。
最初，PROTAC 由配体-连接子-募集部分组成，且仅靶向一种目标蛋白。然而，随着新进展的出现，目前已开发出多种不同的 PROTAC 设计，能够以多种方式靶向蛋白：
- 双靶点及多靶点 PROTAC：与传统 PROTAC 不同，这类药物可设计用于靶向多种蛋白质。
- 多肽类 PROTAC：这类药物利用多肽部分代替小分子作为传统 PROTAC 中的靶向配体，从而能够靶向那些尚无现有小分子抑制剂的蛋白质。
- 生物 PROTAC (bioPROTACs)：这类药物由工程化 E3 连接酶与一个附着的蛋白质组成，该蛋白质的功能类似于传统 PROTAC 中的靶向配体，并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 (CLIPTACs)：CLIPTACs 的研发旨在克服 PROTAC 口服给药的相关问题。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。胞内偶联过程利用了附着在 E3 募集部分上的四嗪与附着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)：这类药物与 CLIPTACs 类似，同样利用 IEDDA 反应。其设计理念是给予 PROTAC 的前药形式，仅在理想的区域或部位释放活性形式。
- 光化学靶向嵌合体 (PHOTACs)：这类药物通过光激活实现蛋白质的最大化降解，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 需要募集 E3 连接酶，我们分析了 CAS 内容合集中近 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，形成 E3 泛素连接酶复合物。Cereblon 被认为是 PROTAC 相关研究中最受关注的 E3 连接酶。
- VHL： 它与 Elongin B、Elongin C、Cullin 2 和 RING 框蛋白 1 (Rbx1) 结合，作为 Cullin-RING E3 连接酶 (CRL) 复合物（即 CRL2）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 募集的 PROTAC 通常被称为特异性非遗传性 IAP 依赖性蛋白擦除剂 (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 最常与含溴结构域蛋白共同出现。与 Cereblon 频繁共现的其他蛋白还包括 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：
来源：2003-2024 年间的 CAS 内容合集。
PROTAC 靶向癌症、传染病和神经退行性疾病
我们的分析显示，癌症仍然是 PROTAC 研究的主要疾病领域，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，近期针对前列腺癌 AR 和乳腺癌 ER 的靶向突破解释了这些疾病在文献中的高频出现。
来源：2003-2024 年间的 CAS 内容合集。
涉及错误折叠蛋白的神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）也可能成为蛋白降解 PROTAC 的靶点。如果这些小分子药物能够成功破坏导致这些疾病的缺陷蛋白，将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不断增加（见图 6），这表明人们对开发针对神经退行性疾病的此类药物兴趣日益浓厚。
其他常见的蛋白质靶点包括 AR、ER 和含溴结构域蛋白，但也包括迄今为止难以用小分子药物治疗的蛋白质，如 KRAS 和 BCL2。这些努力尚未产生临床候选药物，因为大多数研究仍集中在 AR 和 ER 上，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。
PROTAC 临床试验快速增长
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，各有六种 PROTAC 处于 I 期和 II 期临床试验中（见图 7）。考虑到最早的 PROTAC 相关期刊论文可追溯至 2001 年（仅二十多年前），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了重要地位。针对后者的药物已进入 II 期和 III 期临床试验。例如，由 Arvinas 和辉瑞公司设计用于治疗乳腺癌的 PROTAC 药物 vepdegestrant (ARV-471) 已进入 III 期临床试验（参考文献）。由苏州开拓药业设计的第一款外用 PROTAC 药物 GT20029 是另一种靶向 AR 的潜力药物，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症相关蛋白靶点的临床前试验也在进行中，针对 HIV、乙型肝炎和自身免疫性疾病相关激酶的研究亦是如此。PROTAC 治疗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，在广泛应用于临床之前，必须解决一些重大挑战。关键的发展方向之一是确保 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 的时空可控释放。
表征是另一项挑战——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，而未测试或考量 PROTACs 与目标蛋白在活细胞内的相互作用。这种认知上的缺失，阻碍了我们深入了解 PROTACs 可能失效的环节。
最后，由于 PROTACs 通常不符合“利平斯基五规则”（Lipinski’s rule of five），因此难以设计成口服药物。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 共价抑制剂 等非传统模式的进步表明，新方法能够为新型治疗手段带来实质性改变。鉴于在靶向癌症及其他疾病致病蛋白方面潜力巨大，科学界投入时间和精力去实现这些突破是明智之举。
