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[综述文章] Nature专题:蛋白降解新药将是下一个重磅炸弹

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发表于 2019-4-8 17:38:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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2019年3月20日,Nature用了一个专题来介绍基于蛋白降解机制的新药开发。并以显著的标题“下一个重磅炸弹疗法”来暗示蛋白降解剂的重要性。此外,我们也从AbbVie公司的近期文章中窥见了蛋白降解剂的潜力,【PROTAC】新药开发系列(十三)揭秘丙肝神药作用机制I。一切尽在不言中!敬请期待揭秘丙肝神药作用机制Ⅱ。


                               
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当克雷格·克鲁斯(CraigCrews)第一次使用一种奇怪的新化合物让蛋白质消失时,生化学家认为这是一种“客厅把戏”,一种“可爱的化学好奇心”。

今天,这个可爱的伎俩正在撩动罗氏、辉瑞、默克、诺华和葛兰素史克等制药公司的心弦,他们已经投资数十亿美元来开发蛋白降解的小分子新药。Crews的早期合作者之一,也是加利福尼亚州的Amgen全球研究高级副总裁的RaymondDeshaies说:“可以推断,几乎每家制药企业或公司都正在这个领域进行新药开发”。

靶向蛋白降解的新药开发策略是利用细胞的天然系统来清除不需要或受损的蛋白质。这些蛋白降解新药形式各异,今年正在进行临床试验分子来自耶鲁大学的Crews课题组(Arvinas创始人),他们花了20多年的时间开发出降解AR的PROTACs。

PROTACs庞大而笨拙,它无视药物应该是什么样的传统概念。但它们为治疗一些最不屈不挠的疾病提供了可能性。因为PROTACs会破坏而不是抑制蛋白,且可以与其它药物无法作用的蛋白结合,所以它可以被用来降解药物开发者长期以来认为“不可摧毁”的蛋白:致癌的恶棍,如MYC蛋白,或在阿尔茨海默病中缠结的Tau蛋白。

“这是一个全新的领域,”英国邓迪大学的生物化学家AlessioCiulli说。“我们违反了一直以来大家认可的成药规则。”

该领域有理由保持乐观。在2014年,日本科学家发现用于治疗骨髓瘤的来那度胺(世界上最畅销的药物之一)是以降解蛋白的方式工作的,它将两个以前不可能碰在一起的蛋白粘在了一起。

然而,该领域缺乏已发表的数据来证实PROTACs和其它新化合物可以使不可摧毁的蛋白消失。这些看起来很奇怪的分子在体内的作用位置和方式也存在疑问。

目前,所有的目光都聚焦在Arvinas公司身上,这是一家由Crews创立,位于康涅狄格州NewHaven的生物技术公司。他们已经开始测试前列腺癌的PROTAC,尽管它攻击了一种已被其它药物成功靶向的蛋白,但Arvinas生物学高级副总裁IanTaylor说:“我们正在证明这些PROTACs可以成为药物,接下的就是,我们可以降解“不可药”蛋白吗?”

1、学术演练
从图1中可见PROTACs分子通常看起来像哑铃。它们是由两个结合端组成的分子,通过一根细绳连接起来。
一端抓住目标蛋白,而另一端抓住E3泛素连接酶(细胞的天然垃圾处理系统的一部分),通过将一种叫做泛素的小蛋白接到目标蛋白上来标记有缺陷或受损的蛋白质。泛素标签充当“请收集”贴纸,指示细胞的蛋白粉碎机(蛋白酶体)做它的事情。


                               
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蛋白的相互接近在泛素化标记的生物学机制中十分关键,因此通过简单地将连接酶和目标蛋白结合在一起,PROTACs分子可以确保目标蛋白被标记为需被回收的。连接酶是有效的,泛素,顾名思义,是普遍存在的,因此单个PROTAC应该能够在整个细胞中反复执行其捕获和释放功能,这表明只需少量药物就可产生强效的活性。

1999年,马里兰州盖瑟斯堡的一家生物技术公司Proteinix的两位科学家提交了一份专利,最早描述了PROTAC类分子。在该专利中(http://go.nature.com/2vyjf9l),John Kenten和Steven Roberts建议选择细胞的蛋白降解系统。同事们则驳斥了他们的这一观点,称Kenten和Roberts试图通过同时结合两种蛋白质(垃圾蛋白和E3泛素连接酶)从而使药物发现复杂化。“内部没有太多的热情,”现任马里兰州罗克维尔MesoScale Diagnostics的研究主管Kenten回忆说,所以Proteinix放弃了这种方法。

但在美国的另一边,另一对人也有同样的想法。1998年,在华盛顿西北部Semiahmoo湾的一个风景优美的度假胜地进行的一次科研活动后,Deshaies在Crews的一张海报前停了下来,听他谈论如何使用小分子将两种蛋白质连接在一起的想法。Deshaies当时是帕萨迪纳加州理工学院的生物化学家,他对泛素连接酶的研究中非常深入。人类基因组编码了大约600个E3泛素连接酶,通过与其它目标蛋白形成复合物来进行泛素标记。大约一年前,Deshaies共同发现了一个E3蛋白质家族,该家族现已知含有250个泛素连接酶。

Deshaies回忆说:“如果你能将这些东西与泛素连接酶联系起来,那么你就有可能使得蛋白质泛素化并诱导其降解,这并不是一个很大的飞跃。”他和Crews整个周末都在聊天,然后分开行动,寻找资金来探索这个想法。

当时,Crews正在开发一种与PROTAC作用相反的药物。它阻断了细胞中的泛素化过程,导致蛋白积累到危险水平,最终导致细胞死亡。这项工作的使得carfilzomib(Kyprolis)现在用于治疗血癌多发性骨髓瘤。“我认为反面也同样有趣,”Crews说,“事实证明确实如此。”

Crews和Deshaies很快发表了一项研究,证明他们的第一个PROTAC,Protac-1成功地抓住并导致了非洲爪蟾蛙卵提取物中与癌症相关的蛋白质METAP2的降解。

尽管如此,Protac-1离成药还有很远的距离,Crews称该论文为“学术演习”。第一代PROTACs在人体细胞中的活性很低,可能是因为这些化合物难以进入细胞。他们依靠大而笨拙的肽来结合E3泛素连接酶。科学家必须找到一种方法,使E3泛素连接酶结合配体更像药物,“某种有可能成为药物的东西,”克鲁斯说,或者他们需要继续探索。

在葛兰素史克公司的资助和研究支持下,Crews继续推进,主要针对一种特殊的连接酶,即vonHippel-Lindau疾病抑制因子(VHL)。2012年,Crews和他的研究生DennisBuckley以及前访问学者Ciulli一起报道了一种用于VHL的小分子粘合剂。工作人员终于开始相信PROTAC真的可以成药了。

2、钓鱼式的小分子
Crews不是唯一一个追逐蛋白降解剂的人。2010年,化学生物学家JamesBradner在马萨诸塞州波士顿的达纳法伯癌症研究时所读到了一篇由HiroshiHanda领导的日本研究小组的论文,当时Handa在横滨的东京理工学院工作。Handa一直试图理解为什么臭名昭着的药物沙利度胺在20世纪50年代末和60年代初在一些国家被批准用于帮助怀孕期间的恶心,该药物导致胎儿“海豹鳍”的问题。(现在该药已被批准用于治疗多发性骨髓瘤和皮肤病。)用沙利度胺作诱饵,在细胞中捕获蛋白,Handa发现该药会钩住并阻断一种叫做CRBN的泛素连接酶活性。他的研究小组发现,这种抑制作用会影响斑马鱼和小鸡的肢体生长和发育。

Bradner意识到,如果沙利度胺与泛素连接酶结合(这绝非易事,因为这种酶很难被抓住)那么,也许他可以找到一种方法来与同一泛素连接酶结合,但目标蛋白是与疾病相关的蛋白。2013年,Buckley作为博士后研究员加入Bradner团队,他们开始寻找与CRBN结合的小分子。

                               
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2015年5月和6月,由Bradner、Ciulli和Crews领导的三个小组发表了五篇独立的论文,描述了具有强大的药物样活性的小分子PROTAC。与GlaxoSmithKline的IanChurcher一起,Crews用PROTAC募集VHL,并用它将几种蛋白的含量降低至未处理细胞中该蛋白的10%。Bradner和他的同事则用PROTAC募集CRBN,以降低致癌蛋白的含量。而邓迪大学的Ciulli和他的团队使用VHL作为泛素连接酶降解了同样的蛋白。PROTACs分子在癌细胞的体外试验和小鼠体内抗肿瘤试验中均有效。

除了设计类似机制的PROTACs外,Crews和Bradner的团队还分别建立了另外两个降解体系:HaloPROTACs和dTAG。研究人员利用这两个系统使得降解目标蛋白成为一种试验工具。使用dTAG,“你可以在几分钟或几小时内耗尽一种蛋白,并监测会发生什么”,化学生物学家BehnamNabet说道,他在Dana-Farber癌症研究所与NathanaelGray一起领导该系统的开发。“这为研究癌基因、激酶和具有非常快速活性的蛋白质提供了帮助。”dTAG材料目前是免费提供的:超过150个学术实验室使用这种探针来研究消耗细胞中特定蛋白质对细胞功能的影响。

Bradner于2016年离开Dana-Farber,成为了诺华生物医学研究所的CEO,他估计大约有30种不同的工具均采用了该技术。“化学探针的发展方向现已确立,”他说,“但是用这些配体制造真正的药物仍是一个巨大的挑战。”

3、淘金热
在2015年一系列小分子PROTAC被报道后,已离开该领域的Deshaies撰写了一篇评论文章,宣称PROTACs有有潜力成为一种主要的新药,可能超过有史以来最热门的两个药物开发领域:蛋白激酶抑制剂和单克隆抗体。“淘金热已然开始!”Deshaies当时写道。他说,从那时起,它会愈演愈烈。Deshaies于2017年加入Amgen,现在负责该公司在该领域的工作。

Taylor说,Arvinas预计将于2019年中期开始的临床试验将有28-36名患有转移性前列腺癌的男性参加,并将持续约9个月。任何一种新药都会选择一个众所周知的靶蛋白,其中生物学和毒理学都是很明确的,Arvinas的第一个候选PROTAC也不例外。它会降解雄激素受体,这是一种已经被批准的药物靶蛋白。该公司希望通过降解而不是抑制AR受体,其PROTAC将能够治疗那些已经对现有药物产生抗药性或从现有药物中无法获益的人。如果候选化合物成功,该领域将最终拥有每个人都在期望的临床数据。Arvinas将证明PROTAC可以成为一种药物。

这一点至关重要,因为人们对蛋白降解剂是否可以在人体内发挥作用还存在相当大的质疑。模块化组装的PROTACs分子打破了众所周知的药物经验法则。其中,最主要的是尺寸。良好的小分子药物通常具有小于500道尔顿的分子量。目前的PROTAC分子量已超过1,000道尔顿。然而,分子仍然可以进入细胞。Crews怀疑这是因为它们可能被细胞膜识别为两个恰巧被捆绑在一起的小分子,而不是一个大分子。Taylor说:“我们正在抛弃那些先入为主的成药观念,即我们设计的分子拥有比一般分子更大的分子量。”

当然,关于以望人们认为的不可成药蛋白,可能问题在于大多数小分子药物或单克隆抗体需要与酶或受体上的活性位点结合才能发挥作用。但据估计,人类细胞中80%的蛋白缺乏这样的一个位点。然而,PROTACs分子可以通过任何一个角落、裂缝或缝隙抓取蛋白,它们不需要坐在一个活跃的口袋中工作。所以它们可以更容易捕获这些蛋白质。

已有一些证据支持这种方法。去年,伦敦癌症研究所的一个研究小组设计了一种PROTAC分子。它能与一种没有活性位点的转录因子调节剂结合。它们利用E3泛素连接酶CRBN的配体创造出有效的PROTAC分子。

该领域仍然缺乏已发表的文献证据来表明靶向降解蛋白对于“不可药”蛋白的价值。Deshaies说,Amgen设计了一种PROTAC分子,在细胞和动物体内都有活性,它可以对抗一种历史上很难结合的未命名的高价值癌症靶点。Arvinas则声称,已有体内证据表明PROTAC分子可降低小鼠大脑中的tau蛋白。该公司在其网站上称,将其tau蛋白质降解剂直接注入小鼠海马体后,将tau蛋白水平降低了50%。

Taylor表示,通过开发针对一系列疾病(包括那些大脑相关的疾病)的PROTAC分子,许多研究人员希望证明该技术是“治疗领域的不可知论者”。各种团队也在努力扩大PROTACs分子可以募集的泛素连接酶库。目前,只有四种主要E3泛素连接酶被使用,包括VHL和CRBN。而且还存在更广泛的可用E3泛素连接酶,它们可使药物开发者设计PROTAC以连接最有效的E3泛素连接酶,这些连接酶来自其感兴趣的细胞类型。“任何E3泛素连接酶都可以通过这种方法被劫持,”Ciulli说,他正在与德国制药公司BoehringerIngelheim合作开发PROTACs。

在新的靶蛋白、高效降解力和已开始的临床试验(首个PROTAC进入I期临床试验)的鼓舞下,研究人员已经准备好证明蛋白质降解剂不仅仅是一种“客厅把戏”。“前途无量,”Ciulli说,“一切只是时间问题。”


参考文献
Nature 567, 298-300  (2019)

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层
这篇文章好详尽,感觉泛素连接酶和底物并不是严格对应的,怎么解决特异性的问题
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