分子胶和临近诱导: 靶向“不可成药”蛋白靶标

什么是分子胶?

分子胶是一种小型化学实体。它使用一种突破性的策略，即临近诱导靶蛋白降解(TPD)，TPD中感兴趣的致病蛋白(POIs)与天然消化酶连接并被破坏(图1)。或：分子胶是一类介导了邻近诱导的蛋白质降解(TPD)的小分子化合物，在这个过程中，降解剂介导的靶蛋白(protein of interest,POI)与天然消化酶链接并被降解(图1)。这种方法有效地将POI“粘附”或连接到泛素 - 蛋白酶体系统的E3泛素连接酶，该系统通常作为细胞垃圾处理系统。这种方法创造了具有全新模式的新型治疗剂，具有令人兴奋的潜在活性，可对抗各种严重疾病，如癌症、炎症和免疫疾病以及感染，其中许多疾病是由致病蛋白的异常表达造成的。在人类基因组中有超过600个E3泛素连接酶被编码，到目前为止，只有少数使用TPD方法被开发，所以有相当大的潜力开发更多。

图1 使用分子胶(A)或PROTAC (B)结合E3泛素连接酶CUL4-RBX1-DDB1-CRBN (CRL4CRBN)复合物，通过泛素(Ub)-蛋白酶系统降解靶蛋白 (POI)

蛋白质降解剂是很有优势的，因为它们通过瞬时结合而不是竞争性占据起作用，并在促进POI多泛素化后解离。因此，单个降解剂可以破坏致病蛋白质的许多拷贝，从而在低剂量下高效靶向先前认为的“不可成药”蛋白。蛋白质抑制剂药物可以阻断致病性蛋白的活性位点，而降解剂则可以去除致病性蛋白的所有功能，从而提高对POIs的敏感性，并更好地影响非酶蛋白相互作用。

在过去的二十年中，利用泛素驱动的天然蛋白降解来实现治疗目的TPD化合物的开发取得了长足的进展。Proteinix于1999年申请了首个将POI连接到E3连接酶的治疗性嵌合降解剂的专利。随后进行了一项概念验证研究，其中一种癌症相关蛋白被蛋白降解靶向联合体(PROTAC)成功降解。早期PROTACs为大分子结构；2008年发表了第一篇利用nutlin-3招募MDM2的小分子雄激素受体(AR)降解剂的报告。随后小分子模拟HIF1α肽的发现加速了小分子PROTACs的合理设计。到目前为止，很少有临近诱导的TPDs达到临床测试，但有两种针对雄激素和雌激素受体的PROTACs (ARV-110和ARV-471)已进入临床II期试验，还有许多其他药物正在开发中。

分子胶与PROTACs具有不同的特性。分子胶是一种小分子，它们与各种难以预测的靶蛋白相互作用，通过诱导和增强两种蛋白质的相互作用显示出不同的生物活性，否则两种蛋白质之间不会显示出内在的亲和力。PROTACs是由两个部分组成的二价分子，一个与POI结合，另一个与E3连接酶结合，通过连接子连接。与PROTACs相比，分子胶体积更小，预计具有比PROTACs更好的药理学性质、更高的膜通透性、更好的细胞摄取和更好的血脑屏障穿透能力。分子胶的发现主要依赖于偶然性，但针对无成药性的蛋白质的合理设计方法正在不断出现。在初步发现后，后续的发现途径还包括继续进行骨架(或核心结构)定义、优化和验证(表1)。

分子胶降解剂的发现途径与结构导向药物设计：

InitialDiscovery

Serendipitous

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20223979

High throughput screens (HTS)

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25043012

Data mining

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25043012

ScaffoldDefinition

Crystallography

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35121833

MolecularDocking

https://www.cancer-research-network.com/leukemia/sj6986-is-a-selective-and-orally-active-gspt1-2-degrader/2021-07-16

Structure activity relationship(SAR) studies

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26732515

Optimization

Protein-proteininteraction assay of scaffold analogs

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29129717

E3ligase dependent activity assay of scaffold analogs

https://www.cancer-research-network.com/leukemia/sj6986-is-a-selective-and-orally-active-gspt1-2-degrader/2021-07-16/

Validation

Binding assays

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33275046

Biochemicalmethods validating target degradation

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34478840

Cell-based activityassays

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29129717

Molecular dockinganalysis

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26732515

Crystallography

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35121833

人们发现了各种类型的分子胶;最著名的可能是沙利度胺(thalidomide)及其类似物，以及针对E3连接酶脑的来那度胺(lenalidomide)和泊马度胺(pomalidomide)。分子胶已被确定具有多种其他作用机制，包括自噬介导的蛋白降解、MEK亚复合物稳定、KRAS突变体抑制、α-微管蛋白聚合稳定和FK 506结合蛋白12(FKBP12)降解。

分子胶研究概况-如CAS内容合集(CAS Content CollectionTM)所示

CAS内容合集(CAS Content CollectionTM)是全球最大的、人工标引的已发表科学信息内容合集，适用于对全球科学出版物进行多维度定量分析，如：发表时间、研究领域、配方、应用以及化学成分等。为了评估分子胶研究的最新进展，尤其是在药物化学和药物发现方面，CAS在新出版的一份白皮书中，分析了CAS内容合集中2012 至2021年间发表的相关数据。在此期间发表的与蛋白质降解剂剂相关的文章和专利数量呈爆炸式增长(图2)。

图2 过去十年间蛋白质降解剂出版物的年度趋势，包括期刊文章和专利

关于蛋白质降解剂的期刊出版物主要来自美国、中国、英国、日本、德国等(表2A)。丹娜—法伯癌症研究所(Dana-Farber)和邓迪大学(Dundee)发表了最多的TPD相关期刊文章(表2B)。中国和美国的蛋白降解物相关专利申请数量最多(表2C)。表2D列出了经常发表TPD相关文章的期刊，突出了TPD在医学研究中的重要性;《药物化学杂志》(Journal of Medicinal Chemistry)和《欧洲药物化学杂志》(European Journal of Medicinal Chemistry)的发表TPD相关文章最多。

表2.发表TPD相关期刊文章的主要国家(A)、组织(B)和科学期刊(D)，申请TPD相关专利的主要国家(C)

在出版物中，最常见的TPD类型是小分子(85.8%)，其次是生物序列(7.7%)，包括多肽、蛋白质、核酸和盐(图3左)。这表明早期基于肽的蛋白质靶向嵌合分子发生了变化。蛋白质降解剂是通过多步化学反应合成的，这解释了在文献分析结果中为何SPN(合成制备)和RCT(反应物)的物质量占多数的原因(图3，右图)。CAS内容合集从专利中标引了大量化合物。

图3 根据CAS内容合集，与TPD有关的文献中所列物质的类别(左图)及其角色分类 (SPN、合成制备；RCT、反应物；THU、治疗应用；PAC、药理活性；BSU、生物学研究(未分类)；PRP、属性)

在文献分析中发现，CRBN、VHL和MDM2是最常用的E3连接酶类型，用于招募TPDs，以诱导泛素化以及随后的靶蛋白在癌症，炎症，神经退行性，自身免疫性和传染病中的蛋白酶体降解（表3）。

表3.CAS内容合集中三种使用最广泛的E3连接酶与靶向疾病的蛋白降解物相关出版物数量的相关性,百分比根据与蛋白质降解剂相关的出版物总数来计算  

2017-2021年间，关于PROTACs和E3泛素连接酶的出版物数量最多，其次是脑蛋白酶(Cereblon)、蛋白酶体和泛素化(图4A)。关于分子胶和蛋白质降解剂的文献数量较少，但从2019年开始呈现文献量和研究兴趣呈爆炸性增长。其他概念词包括泛素化、E3连接酶、脑蛋白酶、PROTAC和蛋白酶体，也在2017-2021年间持续强劲增长(图4B)。

图4(A) 2017-2021年间提出与可持续发展相关的关键概念词的出版物数量。(B) 2017-2021年间与TPDs相关的文章中提出的关键概念词的趋势。百分比用每个关键概念词的年度发表数计算，并以同一概念词在同一时期的发表总数进行归一化 使用分子胶(A)或PROTAC (B)结合E3泛素连接酶CUL4-RBX1-DDB1-CRBN (CRL4CRBN)复合物，通过泛素(Ub)-蛋白酶系统降解靶蛋白 (POI)

对CAS内容合集中蛋白质降解剂靶向疾病的分析显示，大部分(44%)的出版物与各种癌症(如乳腺癌和前列腺癌、多发性骨髓瘤和白血病)相关。此外，感染性疾病(11%)、神经退行性疾病(10%)、炎症性疾病(10%)、自身免疫性疾病(8%)、代谢性疾病(6%)和心血管疾病(5%)的比例也很高(图5)。

图5 CAS内容合集中关于目标疾病的蛋白质降解剂相关出版物的分布

分子胶——已发现的和正在发展的

文献分析已知的分子胶类型和结构的数量已经相当可观，而且还在增长。研究最广泛的分子胶是结合E3连接酶CRBN和参与DCAF15的芳基磺酰胺小分子。其他通过各种非E3连接酶作用机制诱导蛋白质降解的分子胶包括自噬介导的蛋白质降解、稳定蛋白-蛋白相互作用、抑制KRAS突变体、稳定微管聚合以及抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)。此外，还有一些天然化合物，如环孢素A和sanglifehrin A，被发现具有分子胶的功能。这些发展表明分子胶方法的重要拓宽和潜在的更多样化的作用范围表明，2008年之后，所有碳捕获和存储相关出版物的数量都迅速增加，在2010年代中期之后有所放缓，但最近又开始增加。这可能反映了当前的经济状况和紧迫感，但似乎也与油价有关。当油价较低时，碳捕获似乎过于昂贵，因此在CO2封存和储存方面付出的努力往往有限。该分析只检索到了少量(占相关文献总量10%)碳捕获相关专利，表明该技术的商业利益较低；不过，近来的情况令人鼓舞，专利数量有了急剧增加。

虽然已经发现了许多潜在的分子胶，但到目前为止，只有很少的分子胶被用于临床疗效评估，获得监管部门批准的就更少了。全球多家公司在临床前开发中拥有一系列分子胶产品，用于各种癌症、神经退行性和炎症性疾病的临床前开发。这些公司的概况如下：

珃诺生物(Ranok，中国杭州)：候选药物RNK05047将于2022年上半年进入临床试验，用于治疗实体肿瘤和淋巴瘤。

Monte Rosa Therapeutics (美国波士顿)：启动了其主要项目的临床前研究(IND-enabling)活动，以GSPT1为目标进行肿瘤治疗和其他治疗。新药申请将于2022年年中提交给FDA。其他靶向实体/液体肿瘤、自身免疫性疾病和血液疾病的分子胶的药物发现阶段。

Plexium与Amgen (美国圣地亚哥)合作：针对IKZF2治疗免疫疾病和癌症的Cereblon分子胶先导优化阶段。

Frontier Medicines/与艾伯维(AbbVie)合作(美国旧金山)：药物发现阶段，开发小分子共价药物，对抗顽固性免疫和肿瘤靶点。

f5 Therapeutics (美国圣地亚哥)：多种不同癌症、多发性硬化、类风湿关节炎、非酒精性脂肪性肝炎和肝纤维化的分子候选药物。

Ambagon Therapeutics/与百时美施贵宝(BMS)和默克公司(Merck) (美国圣卡洛斯)合作：药物发现阶段，有五种早期发现的肿瘤治疗化合物。

Amphista Therapeutics(英国伦敦)：非E3连接酶作用模式的癌症治疗。

Proxygen/与Boehringer Ingelheim(勃林格殷格翰) (奥地利维也纳)合作：治疗肺癌和胃肠道癌症的药物发现阶段。

Neomorph/与Dana Farber癌症研究所(美国圣地亚哥)合作：药物发现阶段，以推进他们针对不可成药靶点的分子胶开发管道。

Seed Therapeutics/与Lilly(礼来公司) (美国纽约)合作：分子胶候选药物研发阶段，用于治疗癌症、神经退行性疾病和传染病。它们的先导化合物以KRAS致癌基因为靶点。

Pin Therapeutics (韩国首尔)：药物发现阶段

Venquis Therapeutics (美国圣地亚哥)：用于癌症和退行性疾病的药物发现阶段。

IRB巴塞罗那/与Almirall (西班牙巴塞罗那)合作：皮肤病治疗药物发现阶段

上海达歌生物医学科技有限公司(中国上海)：针对癌症、炎症性疾病和代谢性疾病的分子胶粘剂管道。主导肿瘤分子胶候选产品的优化阶段。

Triana Biomedicines (美国沃尔瑟姆)：最近于2022年4月成立，旨在建立一种合理设计的分子胶管道，用于治疗未完全攻克的疾病。

Evotec/与百时美施贵宝(BMS) (德国汉堡)合作：药物研发阶段，开发分子胶降解剂管道。

其他几家公司/机构在不同的临床开发阶段也有一系列很有前景的分子胶化合物，旨在治疗多种不同的实体和液体肿瘤以及炎症和自身免疫性疾病，如系统性红斑狼疮(图6)。

图6 在临床开发过程中发现分子胶的公司和研究组织及其治疗的疾病

分子胶作为治疗药物的前景——它们能满足未被满足的医疗需求吗？

利用分子胶诱导目标蛋白与蛋白降解酶接近是一种令人兴奋的方法，这种方法有可能制造出大量非常新颖的药物，用于治疗各种严重疾病。现在的挑战是通过识别具有有益活性的候选化合物并将其发展为临床有用的产品来开发TPD方法。

分子胶的作用机制和设计原理尚不充分，需要进一步研究，以创造和充分开发新的化合物。新型分子胶的发现方法很大程度上依赖于密集的高通量筛选，然后进行系统的验证。有必要制定有效和合理的设计策略，以加强新的和更有效的化合物的开发，并评估它们在不同适应症中的活性。从偶然发现到合理设计都需要计算工具来模拟和预测分子胶结合，以及结晶技术的进步来提高对蛋白质对接的理解。

对CAS内容合集检索后发现，使用分子胶诱导蛋白质降解在研究文章和专利方面都引起了广泛的兴趣和爆炸性增长。在E3连接酶靶向化合物继续占据主导地位的同时，人们对非E3连接酶化合物和一些天然分子胶降解物也有浓厚的兴趣，这表明潜在试剂有很大的多样性。因此，分子胶的前景看来很有希望，在不久的将来，可能会出现更多使用这种方法的药物，它们具有很吸引人的、且能解决各种未得到满足的医疗需求的潜力。

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