當生化學家Craig Crews首次設法讓一種奇怪的新化合物使蛋白質(zhì)消失時，他把這當作是一種“魔術(shù)戲法”，一種“好玩的化學好奇心”。

       今天，這種“把戲”正吸引著來自羅氏、輝瑞、默克、諾華和葛蘭素史克等公司數(shù)十億美元的投資。“可以推斷，幾乎每家公司在這個領域都有項目，”安進全球研究高級副總裁及Crews的早期合作者Raymond Deshaies說。

       該藥物策略稱為靶向蛋白質(zhì)降解，即利用細胞的天然系統(tǒng)來清除不需要或受損的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)降解物有多種類型，而今年正在進行臨床試驗的類型是Crews在耶魯大學花了20多年開發(fā)出來的——靶向蛋白降解嵌合體（PROTACs）。

       大而難處理，PROTACs就藥物的定義向傳統(tǒng)觀念發(fā)起挑戰(zhàn)，但它們也有可能解決一些不可戰(zhàn)勝的疾病。因為它們破壞而不是抑制蛋白質(zhì)，并且可以與其他藥物無法結(jié)合的蛋白質(zhì)進行結(jié)合，蛋白質(zhì)降解劑可被用來追蹤藥物開發(fā)者長期以來認為“無成藥性的”的目標：癌癥的加劇物如蛋白質(zhì)MYC，或阿爾茨海默病中的tau蛋白質(zhì)。

       英國鄧迪大學生物化學家Alessio Ciulli說，“這是一個新的領域，違反了我們認為有藥可靶的規(guī)則。”

       該領域理應保持樂觀。2014年，科學家們發(fā)現(xiàn)骨髓瘤治療藥物來那度胺與蛋白質(zhì)降解劑的作用相似，可以消解兩種以前不能消解的蛋白質(zhì)。然而，并沒有缺乏數(shù)據(jù)來證實PROTAC和其他新興化合物可以使這些無成藥性的蛋白質(zhì)消失，關于其在體內(nèi)的作用位置和方式也存在疑問。

       目前，所有的目光都集中在Crews創(chuàng)立的生物技術(shù)公司——Arvinas。該公司計劃開始針對前列腺癌測試一種PROTAC，攻擊其他藥物成功靶向的蛋白質(zhì)。

       學術(shù)實踐

       上圖中，PROTACs看起來像啞鈴，其分子由兩個通過一條細繩連接的結(jié)合末端組成。在末端起作用時，一個抓住目標蛋白質(zhì)，另一個鎖住泛素連接酶（細胞天然垃圾處理系統(tǒng)的一部分），通過擊打一種叫做泛素的小蛋白來標記有缺陷或受損的蛋白質(zhì)。泛素標簽充當“請收集”貼紙，指示細胞中的蛋白質(zhì)粉碎機（稱為蛋白酶體）進行工作。

       鄰位連接（Proximity）在生物學中有很多，通過簡單地將連接酶和靶蛋白結(jié)合在一起，PROTAC就可確保目標被標記為破壞。連接酶有效且泛素充足，因此單個PROTAC應該能夠在整個細胞中反復執(zhí)行抓捕和釋放功能。

       最早關于類似PROTAC分子描述的出版是在1999年，來自馬里蘭州的一家生物技術(shù)公司Proteinix的兩位科學家。在專利中，John Kenten和Steven Roberts提出了利用細胞的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)。對此同事們并不認同，認為同時結(jié)合兩種蛋白質(zhì)（不需要的蛋白質(zhì)和連接酶）會使藥物發(fā)現(xiàn)變得復雜。

       美國的另一邊，另一隊人也在思考同樣的想法。1998年，在華盛頓西北部的研究結(jié)束后，Deshaies在Crews的一張海報前停了下來，聽他談論用小分子將兩種蛋白質(zhì)連接到一起。當時的Deshaies是加州理工學院的生物化學家，在泛素連接酶方面有深入研究。人類基因組能編碼其中的大約600個，需要與其他蛋白質(zhì)形成復合物來進行標記。約一年前，Deshaies等人共同發(fā)現(xiàn)了一個蛋白質(zhì)家族，現(xiàn)已知其含有250個泛素連接酶。Deshaies回想道：“如果能將泛素連接酶連接起來，可能就會出現(xiàn)蛋白質(zhì)的泛素化及其降解。”

       Crews當時正在開發(fā)一種與PROTACs作用相反的藥物，其可阻斷細胞中的泛素系統(tǒng)，導致蛋白質(zhì)處于危險水平，并最終引發(fā)細胞死亡。這項研究的結(jié)果就是carfilzomib（Kyprolis），現(xiàn)被用于治療血癌多發(fā)性骨髓瘤。Crews說：“我認為反面的研究同樣有趣。事實證明確實如此。”

       Crews和Deshaies很快發(fā)表了一篇研究，證明他們的首個PROTAC（Protac-1）在爪蟾蛙卵提取物中成功地靶向目標并使癌癥相關的蛋白（METAP2）出現(xiàn)降解。

       Protac-1遠遠稱不上一種藥物，Crews稱這是一次“學術(shù)實踐”。

       第一代PROTACs依靠大而笨拙的肽鏈來結(jié)合連接酶，在人體細胞中的活性很低，因此必須找到一種方法使該連接酶結(jié)合末端更像藥物一樣。在葛蘭素史克的資助和研究支持下，Crews繼續(xù)推進，主要靶向一種特別的連接酶——VHL綜合癥抑癌基因。2012年，Crews與他的團隊報道了一種用于VHL的小分子黏合劑。Crews終于開始相信PROTACs可以成為藥物。

       誘捕小分子

       Crews并不是唯一一個深究蛋白質(zhì)降解的人。2010年，波士頓Dana-Farber癌癥研究所的化學生物學家James Bradner讀了一篇由東京工業(yè)大學Hiroshi Handa帶領的日本研究小組的論文。Handa一直在研究為什么沙利度胺（20世紀50年代末和60年代初在一些國家被批準用于懷孕期間的惡心）會導致肢體發(fā)育出現(xiàn)問題。使用沙利度胺作為誘餌捕獲細胞中的蛋白質(zhì)，Handa研究發(fā)現(xiàn)該藥可以鉤住并阻斷一種叫做cereblon的泛素連接酶的活性，這種抑制會影響斑馬魚和小雞的肢體生長和發(fā)育。

       Bradner意識到，如果沙利度胺與泛素連接酶結(jié)合，或許能找到方法來結(jié)合相同的連接酶，但要靶向與疾病有關的蛋白質(zhì)。2013年，Buckley加入Bradner的團隊，他們開始尋找能與cereblon相結(jié)合的小分子。

       3D structure of PROTAC MZ1 bound to E3 ligase von Hippel-Lindau complex and target Brd4 bromodomain

       2015年5月、6月，Bradner、Ciulli和Crews帶領的三個小組發(fā)表了五篇單獨的論文，都是描述PROTACs具有效力且有類似藥物活性。與GSK的Ian Churcher一起，Crews將PROTAC與VHL結(jié)合，將一些蛋白質(zhì)的水平降解至低于其在未經(jīng)處理細胞中的水平的10％。Bradner團隊將PROTAC用于降低致癌蛋白的水平，Ciulli團隊將VHL作為連接酶來降解相同的蛋白。

       除了設計類似藥物的蛋白質(zhì)降解劑，Crews和Bradner的團隊各自都建立了系統(tǒng)（分別為HaloPROTACs和dTAG），使研究人員能將靶向的蛋白質(zhì)降解作為實驗室里的一種工具，在培養(yǎng)的細胞以及小鼠中使用基因標記對蛋白質(zhì)的破壞進行標記。

       Bradner于2016年離開了Dana-Farber，成為諾華生物醫(yī)學研究所的主席，他估計約有30種不同的工具已經(jīng)吸納了該技術(shù)。他說，“要從這些配體中產(chǎn)生真正意義上的藥物，挑戰(zhàn)意義重大。”

       淘 金 熱

       2015年小分子PROTACs爆發(fā)后，已離開該領域的Deshaies寫了一篇評論文章：“PROTACs有可能成為一種主要的新型藥物，或許超過有史以來最熱門的兩個藥物開發(fā)領域（蛋白激酶抑制劑和單克隆抗體）。淘金熱已經(jīng)上演了！”2017年其加入安進，負責安進該領域的工作。

       預計將于2019年中期開始的Arvinas試驗包括28-36名轉(zhuǎn)移性前列腺癌男性患者，試驗周期為9個月。任何新型藥物都會追求生物學和毒理學目標，Arvinas的首個候選藥物也不例外。公司希望通過降解而不是抑制該受體，讓PROTAC治療那些已對現(xiàn)有藥物產(chǎn)生耐性性或沒有從現(xiàn)有藥物中受益的患者。

       還有一點存在疑問——蛋白質(zhì)降解劑是否可以在人體中發(fā)揮作用。完全組合的PROTAC打破了傳統(tǒng)的藥物實踐經(jīng)驗法則，其中最主要的是大小。好的小分子藥物通常小于500 dalton，而目前的PROTACs大小則超1,000 dalton。因此Crews懷疑分子進入細胞是因為它們可能被細胞膜識別為兩個碰巧被拴在一起的小分子，而不是一個大分子。

       許多難攻克的蛋白質(zhì)靶標的問題在于，大多數(shù)小分子藥物或單克隆抗體需要與酶或受體上的活性位點結(jié)合才能發(fā)揮作用，但人類細胞中80％的蛋白缺乏類似活性位點。然而PROTACs可通過任何角落、裂縫或縫隙抓住蛋白質(zhì)，不需要活性位置就能發(fā)揮作用。

       已有一些證據(jù)支持該方法。去年，倫敦癌癥研究所的一個研究小組研究了一種小分子，不需要活性位點就可與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)合。它們通過給泛素連接酶cereblon附著黏合劑產(chǎn)生有效的PROTAC。

       但該領域仍缺乏已發(fā)表的證據(jù)來證實PROTAC可靶向并降解有價值、無成藥性的蛋白質(zhì)。Deshaies說，針對很難結(jié)合的一個未命名的高價值癌癥靶點，安進的PROTAC在培養(yǎng)的細胞中和動物體內(nèi)顯示都有效。Arvinas在其網(wǎng)站上稱，直接注射其tau蛋白質(zhì)降解劑到小鼠海馬后，tau水平降低了50％。

       通過開發(fā)針對一系列疾病的PROTACs，Taylor表示許多研究者希望證明該技術(shù)是“治療領域不可知論的”。各個團隊也在努力擴大連接酶庫。目前主要使用的有四種，包括VHL和cereblon，可利用連接酶的廣泛性可使藥物開發(fā)者將最有效的連接酶-PROTAC組合與其細胞類型或目的蛋白質(zhì)相匹配。

       受到新目標、效力的提高和即將開始的臨床試驗的鼓舞，研究者們已準備好證明蛋白質(zhì)降解劑不僅僅是一種魔術(shù)戲法。Ciulli說，“沒有任何限制，只是時間問題。”

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