PROTAC技术在水 discovery（药物发现）中的应用：机遇与挑战

《Pharmacological Reviews》：PROTAC technologies for drug discovery: opportunities and challenges

摘要
靶向蛋白水解的嵌合体（PROTACs）通过将E3泛素连接酶招募到目标蛋白质上，重新定向泛素-蛋白酶体系统以消除与疾病相关的蛋白质。这种事件驱动的机制可以去除酶促和非酶促功能，并为解决某些形式的治疗耐药性提供机会。然而，即使在细胞中成功降解目标蛋白，也无法单独确保足够的暴露量、选择性、安全性或临床效益。本文探讨了三元复合物的形成、协同作用、泛素化能力、连接剂性质以及E3连接酶的上下文如何影响PROTAC的活性和转化。我们区分了第一代基于肽的PROTACs和第二代小分子PROTACs，并讨论了分子胶粘剂、靶向溶酶体的嵌合体以及基于自噬的降解剂作为平行的靶向蛋白质降解方式。乳腺癌被用作一个案例研究，因为其分子亚型表现出不同的目标依赖性、耐药机制和递送要求。这种强调并不旨在代表整个靶向蛋白质降解领域的研究分布。随后，我们讨论了其他恶性肿瘤和选定的非肿瘤性疾病中的代表性应用，以建立更广泛的治疗背景。我们还区分了异双功能降解剂与结合物及递送平台，解释了临床进展与药代动力学和耐药性障碍之间的关系，并评估了降解相对于抑制或受体不稳定性的优势。总之，这些考虑支持了基于机制的模式选择，并强调了在药物发现过程中需要协调目标生物学、连接酶的能力和组织暴露。

引言
癌症仍然是全球主要的死亡原因之一，根据最近的全球癌症统计数据，每年导致近1000万人死亡1。在过去二十年中，精准肿瘤学的进展和靶向疗法的发展通过选择性抑制致癌驱动因子显著改善了许多癌症患者的临床结果2。尽管取得了这些进展，但靶向疗法的长期益处通常受到内在或获得性耐药性的限制，突显了癌症药物开发中的持续挑战3。值得注意的是，目前大多数已批准的靶向疗法依赖于小分子抑制剂，这些抑制剂通过占据驱动来抑制致癌蛋白的酶活性4。尽管这种策略取得了显著的治疗效果，但由于靶点突变、旁路信号通路激活以及细胞可塑性的适应性变化，药物耐药性的出现经常降低治疗效果5。此外，许多与疾病相关的蛋白质缺乏明确的配体结合口袋，因此无法被传统的小分子抑制剂有效靶向，这一挑战通常被称为“难治性靶点”6。这些限制激发了人们对替代治疗策略的兴趣，这些策略旨在消除致病蛋白而不仅仅是抑制其活性，从而推动了靶向蛋白质降解（TPD）技术的发展7。TPD作为一种广泛的治疗策略，扩展了传统基于抑制的药理学8。重要的是，TPD不仅限于PROTACs，还包括多种机制不同的降解方法，如分子胶粘剂、靶向溶酶体的嵌合体（LYTACs）、靶向自噬的嵌合体（AUTACs）和其他诱导接近平台。在这些方法中，靶向蛋白水解的嵌合体（PROTACs）是研究最深入和临床进展最显著的一种8。从结构上看，PROTACs是由两个共价连接的配体组成的异双功能分子：一个配体与目标蛋白质（POI）结合，另一个配体招募E3泛素连接酶。通过同时结合POI和E3连接酶，PROTACs诱导三元复合物的形成，促进目标蛋白的泛素化，并通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）触发蛋白酶体降解9。降解后，PROTAC分子可以被释放并重新用于额外的降解循环，从而在亚化学计量浓度下实现催化和事件驱动的药理学8。与传统的小分子抑制剂相比，PROTACs具有几个潜在的优势，包括消除酶促和支架功能、对缺乏经典活性位点口袋的蛋白质具有活性、持续抑制通路以及可能克服由靶点过表达、通路重新激活或占据式抑制失败引起的某些耐药机制。然而，PROTACs并非不受耐药性的影响，包括旁路信号传导和适应性细胞可塑性变化，这些都会降低对降解靶点的依赖性。削弱POI结合、破坏三元复合物形成、损害E3连接酶招募或改变下游泛素-蛋白酶体活性的突变仍可能降低降解剂的效力4。这些优势促使人们努力开发针对多种生物靶点的PROTACs10。尽管如此，PROTACs也存在重要限制，包括水溶性差、膜渗透性有限、潜在的脱靶效应、由于其相对较大的分子量和极性而产生的不利药代动力学特性，以及由于其模块化异双功能结构导致的合成复杂性增加7。这些挑战促使最近的研究专注于提高基于PROTAC的治疗剂的生物利用度和靶点特异性10。总之，这些优势和限制使PROTACs成为一个有价值但技术要求高的现代药物发现平台。

引言
癌症仍然是全球主要的死亡原因之一，并继续构成重大的公共卫生负担，根据最近的全球癌症统计数据，每年导致近1000万人死亡1。在过去的二十年里，精准肿瘤学的进步和靶向疗法的发展通过选择性抑制致癌驱动因子显著改善了许多癌症患者的临床结果2。尽管取得了这些进展，但靶向疗法的长期益处经常受到内在或获得性耐药性的限制，突显了癌症药物开发中的持久挑战3。值得注意的是，目前批准的大多数靶向疗法依赖于小分子抑制剂，这些抑制剂通过占据驱动的药理学抑制致癌蛋白的酶活性4。虽然这种策略取得了显著的治疗效果，但由于靶点突变、旁路信号通路的激活以及细胞可塑性的适应性变化，药物耐药性的出现常常会降低治疗效果5。此外，许多与疾病相关的蛋白质缺乏明确的配体结合口袋，因此无法被传统的小分子抑制剂有效靶向，这一挑战通常被称为“难治性靶点”6。这些限制激发了对替代治疗策略的兴趣，这些策略旨在消除致病蛋白而不仅仅是抑制其活性，从而推动了靶向蛋白质降解（TPD）技术的发展7。TPD作为一种广泛的治疗策略，扩展了药物发现的范围，超出了传统的基于抑制的药理学8。重要的是，TPD不仅限于PROTACs，还包括多种机制不同的降解方法，如分子胶粘剂、靶向溶酶体的嵌合体（LYTACs）、靶向自噬的嵌合体（AUTACs）和其他诱导接近平台。在这些方法中，靶向蛋白水解的嵌合体（PROTACs）是研究最广泛和临床进展最显著的类型之一8。从结构上看，PROTACs是由两个共价连接的配体组成的异双功能分子：一个配体与目标蛋白质（POI）结合，另一个配体招募E3泛素连接酶。通过同时结合POI和E3连接酶，PROTACs诱导三元复合物的形成，促进目标蛋白的泛素化，并通过泛素-蛋白酶体系统触发蛋白酶体降解9。降解后，PROTAC分子可以被释放并重新用于额外的降解循环，从而在亚化学计量浓度下实现催化和事件驱动的药理学8。与传统的小分子抑制剂相比，PROTACs具有几个潜在的优势，包括消除酶促和支架功能、对缺乏经典活性位点口袋的蛋白质具有活性、持续抑制通路以及可能克服由靶点过表达、通路重新激活或占据式抑制失败引起的某些耐药机制。然而，PROTACs并非不受耐药性的影响，包括旁路信号传导和适应性细胞可塑性变化，这些都会降低对降解靶点的依赖性。削弱POI结合、破坏三元复合物形成、损害E3连接酶招募或改变下游泛素-蛋白酶体活性的突变仍可能降低降解剂的效力4。这些优势激发了开发针对多种生物靶点的PROTACs的努力10。然而，PROTACs也面临重要的限制，包括水溶性差、膜渗透性有限、潜在的脱靶效应、与其相对较大的分子量和极性相关的不利药代动力学特性，以及由于其模块化异双功能结构导致的合成复杂性增加7。这些挑战促使最近的研究集中在提高基于PROTAC的治疗剂的生物利用度和靶点特异性10。总之，这些优势和限制使PROTACs成为一个有价值但技术要求高的现代药物发现平台。

本文首先总结了PROTAC介导的蛋白质降解的分子基础，包括PROTAC的结构、UPS和三元复合物的形成。然后，本文追溯了PROTAC技术的演变，并阐明了控制PROTAC疗效的主要设计原则，特别是连接剂性质、E3连接酶的选择和降解效率的决定因素。接着，我们将疾病应用分类为肿瘤学和非肿瘤学领域。在肿瘤学领域，乳腺癌被用作疾病特异性PROTAC开发的案例研究：其分子亚型允许比较目标依赖性、内分泌和激酶抑制剂的耐药性以及递送要求。对乳腺癌的相对关注反映了这种解释目的，并不应被视为整个TPD领域的代表。随后，我们讨论了在前列腺癌、血液系统恶性肿瘤、肺癌和其他实体瘤中的选定应用。除了肿瘤学领域，还讨论了新兴的非肿瘤学应用，以展示PROTACs及其相关TPD策略的更广泛的治疗潜力。最后，我们评估了PROTACs的临床转化，将其与其他新兴的治疗模式进行了比较，并概述了塑造TPD在药物发现未来的关键机会和挑战。

章节摘录
PROTACs的分子结构
PROTACs是由两个共价连接的配体组成的异双功能分子，其中一个配体与POI结合，另一个配体招募E3泛素连接酶11。典型的PROTAC分子包含三个基本组成部分：一个决定靶点选择性的POI结合头域、一个使泛素化机制能够被招募的E3连接酶配体，以及一个连接这两个配体的化学连接剂，该连接剂对分子构象和三元复合物的形成具有关键影响。

第一代基于肽的PROTACs
最早一代的PROTACs是由基于肽的构建物组成，主要作为诱导蛋白质降解的概念验证，而不是具有临床可行性的治疗模式（图1A）7, 23。这些早期的肽PROTACs通常包含来自E3泛素连接酶天然底物的短肽基序，从而有助于将特定的泛素化机制招募到POI23。一个开创性的例子是一种被设计为招募...

链接剂设计
在PROTACs的结构组成部分中，连接剂是最不直观但最关键的降解剂效力的决定因素之一。连接剂长度的优化必须确保POI配体和E3泛素连接酶配体之间有足够的间距，以促进高效的三元复合物组装，同时避免过度的延伸，因为这会降低构象异质性，减少有效接近性，并损害降解效率44, 45。

乳腺癌
PROTACs越来越多地应用于癌症治疗69。在乳腺癌中，雌激素受体（ER）已成为PROTAC介导降解中最密集研究的靶点之一，因为ER信号在激素受体阳性肿瘤的发展和进展中起着核心作用70。因此，使用PROTAC分子降解ER被认为是一种有前景的策略，可以抑制肿瘤生长并克服对传统内分泌治疗的耐药性。

PROTACs在非肿瘤学领域的应用
除了肿瘤学领域，PROTACs及其相关的TPD策略还在非肿瘤学疾病中进行探索，包括病毒感染、免疫和炎症性疾病、神经退行性疾病以及其他慢性病理状态240。尽管PROTAC技术最初主要在肿瘤学领域得到发展，但最近的研究表明，它的治疗范围现在正在扩展到癌症之外，突显了TPD作为药理学策略的更广泛应用241。

PROTACs的临床转化
随着PROTACs接近临床应用，其治疗潜力不仅需要通过靶点降解效率来评估，还需要通过转化可行性、药代动力学表现和耐药性敏感性来评估。

新兴的治疗机会
PROTAC技术的未来治疗机会可能不仅来自于可用的降解剂数量的增加，还来自于将TPD应用于那些仍不足以通过传统小分子方法控制的疾病相关蛋白质类别。随着该领域的不断成熟，PROTACs的独特价值变得越来越明显。它们不仅能够阻断催化活性，还能够去除那些其致病功能依赖于...

结论与展望
PROTAC技术已经从诱导蛋白质降解的概念验证发展成为现代药物发现中一个具有广泛影响力的平台。其重要性不仅在于实现降解本身，还在于在传统抑制不完善、生物学不匹配或易受适应性耐药性影响的情况下重新定义治疗干预。通过将药理终点从靶点占据转变为靶点消除，PROTACs扩展了...

财政支持
本项工作得到了非传染性疾病-国家科学技术重大项目（2023ZD0502200）；国家自然科学基金（82404666, 82430084, 82260691）；云南省重点科技计划生物医学项目（202302AA310046）；云南省基础研究项目（202501AS070023, 202601CK070001, 202401AT070171）；云南省临床医学中心研究项目（2024YNLCYXZX0419）；云南省靶向国际联合实验室的支持。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。

数据可用性
本文综合了已发表的研究，没有生成新的实验数据。图2中的靶点相关计数和底层化合物/平台来源映射在表1、表2、表3和表4中提供。

作者贡献
R.Z（Ruya Zhang）、Y.C（Yajuan Chen）、Z.L（Zixin Li）和R.Z（Rui Zhang）撰写了原始草稿和修订后的手稿。L.Z（Longlong Zhang）和C.C（Ceshi Chen）参与了概念化和资金获取，并对手稿的修订提供了指导。所有作者都阅读并批准了最终稿件。

伦理批准和参与同意
不适用。

作者贡献声明
Ruya Zhang：撰写-原始草稿、研究、资金获取、概念化。
Yajuan Chen：验证、监督、研究。
Zixin Li：软件。
Rui Zhang：资源。
Longlong Zhang：监督、资源、方法学、资金获取。
Ceshi Chen：方法学、研究、资金获取。

出版同意
不适用。

致谢
我们感谢所有为本文文献基础做出贡献的研究人员。