蛋白水解靶向嵌合體（PROteolysis TArgeting Chimeras，PROTACs）已成為一種有前途的通過降解調(diào)控興趣蛋白(protein ofinterest，POI)的技術(shù)。

一、原理

像啞鈴一樣的PROTACs技術(shù)（圖片來源：David Parkins）

如上圖所示，PROTACs技術(shù)看起來像啞鈴一樣。這一雙功能分子通過一個理想的連接器（linker）連接興趣蛋白的配體以及E3泛素連接酶的招募配體。也就是說，PROTACs技術(shù)的一端與興趣蛋白（即靶蛋白）結(jié)合，另一端與E3泛素連接酶結(jié)合。E3泛素連接酶通過將一種叫做泛素的小蛋白貼在興趣蛋白上將其標(biāo)記為缺陷或受損蛋白。之后，細(xì)胞的蛋白粉碎機(jī)（即，蛋白酶體）會處理掉被標(biāo)記的興趣蛋白。也就是說，當(dāng)PROTACs促進(jìn)興趣蛋白和E3泛素連接酶形成三元復(fù)合物時，降解就會發(fā)生，從而調(diào)節(jié)興趣蛋白的水平。

PROTACs的作用方式 | 真核細(xì)胞內(nèi)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system，UPS）的一部分——26S蛋白酶體會識別和降解被泛素化的興趣蛋白（來源：Signal Transduction and Targeted Therapy）

PROTACs的發(fā)現(xiàn)要追溯到2001年。當(dāng)時，加州理工學(xué)院的Raymond Deshaies博士與耶魯大學(xué)的Craig Crews教授在一篇PNAS論文中[1]描述：利用基于肽的Protac-1誘導(dǎo)了靶蛋白2型蛋氨酸氨肽酶（MetAP-2）的降解。不過，基于大而笨重的肽起連接作用的一代PROTACs在人類細(xì)胞中活性較低，之后Crews教授及其同事一直改進(jìn)這一技術(shù)。到2008年，他們已經(jīng)放棄了基于肽的PROTACs技術(shù)，并設(shè)計出了基于E3泛素連接酶MDM2、可用于降解雄激素受體(AR)的基于小分子的PROTACs [2]。從那以后，科學(xué)家們開發(fā)出了可降解不同興趣蛋白的大量PROTACs，PROTACs所能觸及的靶點(diǎn)范圍和疾病類型以驚人的速度擴(kuò)大/增加。

二、靶點(diǎn)

近日，清華大學(xué)饒燏教授團(tuán)隊在Nature旗下Signal Transduction and Targeted Therapy 雜志上了發(fā)表了一篇題為“PROTACs: great opportunities for academia and industry”的綜述文章[3]，總結(jié)了PROTACs靶向的癌癥相關(guān)靶點(diǎn)、病毒感染相關(guān)靶點(diǎn)以及PROTACs在治療免疫疾病、神經(jīng)退行性疾病等方面的應(yīng)用。

PROTACs的分布 | a. PROTACs在不同疾病中的有效性；b. PROTACs在不同生物過程中的有效性（來源：Signal Transduction and Targeted Therapy）

①癌癥相關(guān)靶點(diǎn)

靶點(diǎn)1：AHR（aryl hydrocarbon receptor）

簡介：AHR介導(dǎo)了環(huán)境致癌物質(zhì)的許多毒性和致癌作用。

代表性PROTACs分子：Api-Protac-II

靶點(diǎn)2：ALK（Anaplastic lymphoma kinase）

簡介：ALK的致癌激活與多種癌癥的發(fā)生和發(fā)展高度相關(guān)，包括彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤、間變性大細(xì)胞非霍奇金淋巴瘤、食道鱗狀細(xì)胞癌、炎性肌纖維母細(xì)胞瘤、非小細(xì)胞肺癌、腎細(xì)胞癌、神經(jīng)母細(xì)胞瘤、甲狀腺癌、卵巢癌、結(jié)腸癌、乳腺癌。

代表性PROTACs分子：TL13–12、TL13–112、MS4077、MS4078、TD-004

靶點(diǎn)3：AR（androgen receptor）

簡介：AR紊亂是前列腺癌的主要驅(qū)動因素。

代表性PROTAC分子s：ARCC-4、ARV-110

補(bǔ)充信息：2019年10月，在第二屆靶向蛋白降解劑峰會上，由PROTACs技術(shù)先驅(qū)Craig Crews教授創(chuàng)辦的Arvinas公司公布了ARV-110 I期試驗的初步數(shù)據(jù)（來自10例患者）。分析結(jié)果顯示，試驗中三個劑量組（35 mg、70 mg、140 mg）均耐受性良好，無劑量限制毒性，未觀察到2級、3級或4級相關(guān)不良事件。

靶點(diǎn)4：BCL2

簡介：BCL2因其作為抗凋亡蛋白的重要作用而被歸類為致癌基因。BCL2失調(diào)會導(dǎo)致不同的癌癥。

代表性PROTACs分子：C5

靶點(diǎn)5：BCL6（B-cell lymphoma 6）

簡介：BCL6被發(fā)現(xiàn)通過多種基因改變參與彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤和濾泡性淋巴瘤的分化和增殖。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)6：BCR-ABL

簡介：融合基因BCR-ABL是導(dǎo)致慢性骨髓性淋巴瘤的主要原因。

代表性PROTACs分子：DAS-6-2-2-6-CRBN、DAS-IAP

靶點(diǎn)7：BET（bromodomain and extratermina）

簡介：有研究證實，在去勢抵抗性前列腺癌臨床前模型中，抑制BET家族蛋白可發(fā)揮抗癌作用。

代表性PROTACs分子：ARV-771、dBET1、BETd-246

靶點(diǎn)8：BRD9和BRD7

簡介：包括宮頸癌在內(nèi)的多種癌癥表現(xiàn)出BRD9過表達(dá)。BRD7是BRD9的相近同源物。

代表性PROTACs分子：dBRD9、VZ185

靶點(diǎn)9：BTK

簡介：B細(xì)胞受體(BCR)是B細(xì)胞黏附、生存和生長信號通路中的重要調(diào)節(jié)因子，而在BCR通路中，BTK是必不可少的。

代表性PROTACs分子：L18I、MT-802、DD-03-171等

靶點(diǎn)10：CDK4/6（Cyclin-dependent kinases 4 and 6）

簡介：CDK4/6是細(xì)胞周期的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在G1期到S期（G1-to-S-phase）的過渡中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。CDK4/6在許多癌癥中過度活躍，導(dǎo)致細(xì)胞增殖失控。

代表性PROTACs分子：BSJ-03-204、BSJ-04-132、BSJ-03-123、CP-10等

靶點(diǎn)11：CDK8（Cyclin-dependent kinase 8）

簡介：CDK8基因的過表達(dá)破壞了細(xì)胞增殖、分化和凋亡，可以加速癌細(xì)胞的生長和分裂，如宮頸癌、結(jié)直腸癌、胃癌、惡性黑色素瘤等。

代表性PROTACs分子：JH-XI-10-02

靶點(diǎn)12：CDK 9（Cyclin-dependent kinase 9 ）

簡介：CDK9在多種惡性腫瘤中廣泛表達(dá)。

代表性PROTACs分子：THAL-SNS-032等

靶點(diǎn)13：CK2（Casein kinase 2）

簡介：CK2的過表達(dá)與癌癥的發(fā)生有關(guān)。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)14：c-Met

簡介：c-Met與癌細(xì)胞存活、生長、血管生成和轉(zhuǎn)移有關(guān)。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)15：DHODH（Dihydroorotate dehydrogenase ）

簡介：DHODH為進(jìn)一步合成RNA、DNA、糖蛋白和磷脂提供了基礎(chǔ)。抑制DHODH的活性已被認(rèn)為是一種有希望的治療策略，用于對抗病毒感染、癌癥、關(guān)節(jié)炎和免疫抑制。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)16：EGFR 和HER2

簡介：EGFR（Epidermal growth factor receptor）過表達(dá)在惡性腫瘤的進(jìn)展中起重要作用，如膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、NSCLC、頭頸癌、乳腺癌、結(jié)直腸癌、卵巢癌、前列腺癌、胰腺癌等。HER2是EGFR家族的四個成員之一。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)17：eIF4E（Eukaryotic translation initiation factor 4E）

簡介：eIF4E對細(xì)胞增殖、分化和轉(zhuǎn)移有重要影響。研究表明，eIF4E在動物和人類的許多惡性細(xì)胞系和原發(fā)腫瘤中過表達(dá)。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)18：ER

簡介：80%新確診的乳腺癌病例為ERα陽性。

代表性PROTACs分子：ARV-471等。

靶點(diǎn)19：ERK1和ERK2

簡介：ERK1和ERK2參與Ras-Raf-MEK-ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)，而Ras-Raf-MEK-ERK信號通路與多種癌癥有關(guān)。

代表性PROTACs分子：ERK-CLIPTAC等

靶點(diǎn)20：ERRα（estrogen-related receptors）

簡介：ERRs在維持體內(nèi)平衡中起著重要的作用，包括與ERRα和ERRγ相關(guān)的代謝平衡。

代表性PROTACs分子：PROTAC_ERRα等

靶點(diǎn)21：FAK（Focal adhesion kinase）

簡介：FAK具有激酶依賴性的酶功能和非激酶依賴性的支架功能，這兩個功能在癌癥發(fā)展中起重要作用。

代表性PROTACs分子：BI-3663、BI-0319、FC-11等

靶點(diǎn)22：FLT-3（FMS-like tyrosine kinase 3）

簡介：FLT3在細(xì)胞增殖、分化和凋亡中起重要作用。約30%新診斷的急性髓系白血病患者出現(xiàn)FLT3突變。

代表性PROTACs分子：TL13-117、TL13-149等

靶點(diǎn)23：HDAC6（Histone deacetylases）

簡介：HDAC6屬于II型組蛋白去乙?；福℉DAC）家族，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性。越來越多的研究表明，HDAC6與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)24：MCL1（Myeloid cell leukemia 1）

簡介：MCL1是一種在多種不同癌癥中過表達(dá)的促生存蛋白，如淋巴瘤、白血病、乳腺癌。

代表性PROTACs分子：dMCL1-2 等

靶點(diǎn)25：MDM2（Murine double minute 2）

簡介：MDM2是p53的負(fù)性內(nèi)源性細(xì)胞調(diào)節(jié)因子。MDM2在某些人類p53野生型癌癥中過表達(dá)。

代表性PROTACs分子：MD-224等

靶點(diǎn)26：p38α和p38δ

簡介：p38 MAPK激酶可被各種細(xì)胞壓力和炎癥細(xì)胞因子激活，由p38α、p38β、p38γ和p38δ四個成員組成。

代表性PROTACs分子：SJFα 、SJFδ

靶點(diǎn)27：PARP1（Poly (ADP-ribose) polymerases）

簡介：由于PARP1在DNA損傷反應(yīng)中的關(guān)鍵作用，它被認(rèn)為是一個強(qiáng)有力的癌癥治療靶點(diǎn)。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)28：PI3K（Phosphoinositide 3-kinases ）

簡介：P13K依賴性信號通路的過表達(dá)是腫瘤發(fā)生的主要特征之一。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)29：Pirin

簡介：Pirin被報道為一種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)因子。有研究顯示，通過siRNA敲除pirin能夠抑制癌細(xì)胞的遷移和增殖。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)30：PRC2（Polycomb repressive complex 2）或其核心亞基EED (embryonic ectoderm development)

簡介：據(jù)報道，PRC2在多種癌癥類型中既可作為致癌基因，又可作為腫瘤發(fā)生的抑制因子。

代表性PROTACs分子：UNC6852

靶點(diǎn)31：RIPK2

簡介：絲氨酸-蘇氨酸激酶RIPK2是NOD1和NOD2信號的重要先天免疫調(diào)節(jié)因子。

代表性PROTACs分子：PROTAC_RIPK2

靶點(diǎn)32：Rpn13

簡介：Rpn13在多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞中表達(dá)較高，且在多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞的生長和存活中起重要作用。

代表性PROTACs分子：WL40

靶點(diǎn)33：SGK3（Serum/glucocorticoid-inducible protein kinase）

簡介：SGK是PI3K的關(guān)鍵下游信號分子。SGK-3是SGK家族的一個亞型，在細(xì)胞增殖和生存中起重要作用，尤其在乳腺癌、肝癌、結(jié)直腸癌和前列腺癌中。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)34：Smad3

簡介：Smad3的表達(dá)水平和功能狀態(tài)影響信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，涉及細(xì)胞生長、增殖、發(fā)育、分化、遷移和凋亡。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)35：STAT3

簡介：作為一種轉(zhuǎn)錄因子，STAT3通過調(diào)節(jié)與細(xì)胞存活、增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因，在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮重要作用。

代表性PROTACs分子：SD-36

靶點(diǎn)36：TBK1（TANK-binding kinase 1）

簡介：TBK1是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，在先天免疫、腫瘤發(fā)生和發(fā)展中具有多種細(xì)胞功能。

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)37：TRIM 24

簡介：TRIM24被認(rèn)為是許多癌癥的依賴。

代表性PROTACs分子：dTRIM24

②病毒感染相關(guān)靶點(diǎn)

靶點(diǎn)38：NS3

簡介：丙型肝炎病毒NS3蛋白在病毒感染中起多種重要作用。

代表性PROTACs分子：DGY-08-097

③免疫疾病相關(guān)靶點(diǎn)

靶點(diǎn)39：IRAK4（Interleukin-1 receptor-associated kinase 4）

簡介：參與先天免疫過程的關(guān)鍵分子

代表性PROTACs分子：見下圖

靶點(diǎn)40：PCAF（P300/CBP-associated factor ）/GCN5（general control nonderepressible 5）

簡介：PCAF和GCN5被認(rèn)為是表觀遺傳蛋白，具有乙酰轉(zhuǎn)移酶功能，在DNA損傷修復(fù)、代謝調(diào)節(jié)、細(xì)胞增殖和分化等多種細(xì)胞通路中發(fā)揮重要作用。

代表性PROTACs分子：GSK983

靶點(diǎn)41：Sirtuin2(Sirt2)

簡介：Sirtuin2 (Sirt2)的失衡與多種疾病的發(fā)生有關(guān)，如神經(jīng)退行性疾病、癌癥、2型糖尿病和細(xì)菌感染。

代表性PROTACs分子：見下圖

④神經(jīng)退行性疾病相關(guān)靶點(diǎn)

靶點(diǎn)42：Tau

簡介：Tau失調(diào)是多種神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茨海默癥、額顳葉癡呆）的重要特征，作為一種非酶蛋白，目前沒有好的小分子來解決它的失衡。

代表性PROTACs分子：QC-01-175

三、優(yōu)勢

作為一種新興的、有前途的技術(shù)，PROTACs在以下幾個方面顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?下圖)。

PROTACs與其他治療技術(shù)的對比（來源：Signal Transduction and Targeted Therapy）

首先，PROTACs對耐藥靶點(diǎn)表現(xiàn)出了特殊的敏感性。傳統(tǒng)上，化療是癌癥治療的主要手段，但化療藥物的獲得性耐藥阻礙了臨床應(yīng)用，導(dǎo)致疾病復(fù)發(fā)。之后發(fā)展出的激酶抑制劑、免疫療法也紛紛暴露出耐藥問題。由于PROTACs通過清除整個靶蛋白來影響蛋白功能，包括酶活性功能和非酶功能，因此該技術(shù)有望解決當(dāng)前治療面臨的潛在耐藥性。

其次，PROTACs具有靶向“無成藥性靶點(diǎn)（undruggable target）”的潛能。大多數(shù)小分子藥物或大分子抗體需要結(jié)合酶或受體的活性位點(diǎn)來發(fā)揮作用，然而，據(jù)估計，人類細(xì)胞中80%的蛋白缺乏這樣的位點(diǎn)。而PROTACs可以通過任何角落、縫隙抓住靶蛋白。

第三，PROTACs可影響非酶功能。傳統(tǒng)的小分子藥物一般通過消除其靶點(diǎn)的酶活性來發(fā)揮作用。而不斷積累的研究顯示，PROTACs具有擴(kuò)大靶點(diǎn)“成藥空間”（druggable space），控制蛋白酶和非酶功能的潛能。

四、總結(jié)

近年與PROTACs相關(guān)的出版物（來源：Signal Transduction and Targeted Therapy）

依賴于降解靶蛋白而不是抑制靶蛋白的特性，PROTACs引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，被寄予了開發(fā)新型療法的厚望。隨著PROTACs領(lǐng)域的迅速發(fā)展，大量研究進(jìn)展陸續(xù)發(fā)表。到目前為止，已有超過40個靶點(diǎn)被證實可被PROTACs降解。不過，盡管PROTACs展現(xiàn)出了令人期待的潛力，但需要更多的努力來對該技術(shù)在臨床上的安全性和有效性進(jìn)行更深入的了解。此外，探索更多的靶蛋白以及可用E3泛素連接酶（有分析稱，超過600個人類E3泛素連接酶中，約270個被認(rèn)為與泛素蛋白酶體系統(tǒng)有關(guān)。不過，目前只有不到10個被用于靶向蛋白質(zhì)降解）是未來的重要研究方向。

相關(guān)論文：

[1] Kathleen M. Sakamoto et al. Protacs:Chimeric molecules that target proteins to the Skp1–Cullin–F box complex for ubiquitination and degradation. PNAS(2001).

[2] Ashley R. Schneekloth et al. Targeted intracellular protein degradation induced by a small molecule: En route to chemical proteomics. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters(2008).

[3] Xiuyun Sun et al. PROTACs: great opportunities for academia and industry. Signal Transduction and Targeted Therapy(2019).