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臨床上使用的大多數(shù)藥物都是基于小分子的。與傳統(tǒng)的小分子抑制劑和拮抗劑不同，蛋白質降解技術由于能夠誘導治療靶點蛋白質的降解，近年來發(fā)展迅速，為新藥的開發(fā)提供了新的思路。
PROTACs（PROteothesis-Targeting Chimeras）的概念最早由Crews等人提出。 2001年，PROTACs可以利用體內天然的蛋白質清潔系統(tǒng)來降低蛋白質水平而不是抑制蛋白質功能，從而治愈疾病。 PROTAC是一種異雙功能分子，看起來像啞鈴，分子的一端連接到結合靶蛋白的配體，一端連接到E3泛素連接酶，中間有合適的接頭。 PROTAC對目標蛋白的降解是通過泛素蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）實現(xiàn)的：PROTAC分子與目標蛋白（POI）和E3連接酶結合形成三元復合物，對目標蛋白進行泛素化標記，泛素化蛋白被泛素化酶識別并降解。細胞內蛋白酶體26S。
2022年6月9日，清華大學饒宇教授團隊在Nature旗下Signal Transduction and Targeted Therapy雜志上發(fā)表了題為“ PROTACs：學術界和工業(yè)界的巨大機遇（2020年至2021年更新） "的綜述文章，詳細介紹了 近兩年PROTAC技術的研究進展，總結了PROTAC針對癌癥、病毒感染、免疫疾病、神經退行性疾病的代表性新靶點。
近20年來，PROTAC領域進入了快速發(fā)展期，特別是2015年以Pomalidomide為E3連接酶配體的dBET1 PROTAC成功降解BET蛋白以來，近兩年PROTAC相關研究論文不斷涌現(xiàn)。經歷了爆發(fā)式增長。 2019年，饒宇團隊總結了40多個據(jù)報道被PROTAC降解的蛋白質靶點。近兩年新增了約90個可被PROTAC降解的蛋白靶點，涵蓋癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經退行性疾病等疾病領域，其中癌癥是主要應用領域。
圖2.近兩年PROTAC相關研究的快速發(fā)展
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
據(jù)統(tǒng)計，基于PROTAC技術的不同降解劑可降解約54種激酶，占總靶點的45%。激酶已被優(yōu)選作為蛋白質降解的靶標，主要是因為大多數(shù)激酶具有已知且有效的抑制劑或配體，可以輕松修飾以連接接頭并保持足夠的結合親和力。此外，激酶具有深層結合袋，可促進 PROTAC 的結合，從而誘導激酶與 E3 連接酶的相互作用，進而泛素化并最終降解激酶。此外，盡管激酶蛋白具有高度同源性，PROTAC 仍可以選擇性降解不同激酶亞型。
迄今為止，已發(fā)現(xiàn)518種激酶，參與細胞生存、增殖、分化、凋亡、代謝等多種生理調節(jié)過程。如下圖所示，這些激酶根據(jù)其結構和功能可以分為九類，即受體酪氨酸激酶（RTKs）、TKL激酶（TKLs）、STE激酶（STEs）、CAMK激酶（CAMKs）、AGC激酶(AGC)、CMGC 激酶 (CMGC)、非典型蛋白激酶、CK1 激酶 (CK1) 等。其中，紅色標記的是人類可降解激酶，具有現(xiàn)有的PROTAC降解劑。受體酪氨酸激酶（RTK）和CMGC激酶（CMGC）的PROTAC降解劑最為發(fā)達，分別有19個和14個，占總數(shù)的一半以上。相比之下，CK1 激酶 (CK1) 和 CAMK 激酶 (CAMK) 尚未開發(fā)出 PROTAC 降解劑。
圖 3. 基于 PROTAC 技術的可降解人類激酶及其分類
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
由于PROTACs是在POI抑制劑的基礎上發(fā)展起來的，因此仍然存在一定程度的脫靶效應。由于PROTAC的分子量較大，其細胞膜通透性差和藥代動力學（PK）特性大大降低了其生物學和治療效果。此外，有些PROTAC雖然能有效誘導靶蛋白降解，但其生物學作用較弱，對疾病沒有有效作用。最后，大多數(shù)蛋白質沒有相應的小分子綴合物來設計PROTAC，例如在疾病發(fā)展中發(fā)揮重要作用的轉錄因子。由于轉錄因子的抑制劑很少，因此在設計靶向轉錄因子的PROTAC時沒有可用的粘合劑。這極大地限制了PROTAC技術的應用。 為了解決上述問題，近年來出現(xiàn)了不同類型的PROTAC技術，例如抗體-PROTAC、適體-PROTAC綴合物、雙靶點PROTAC、葉酸籠式PROTAC和TF-PROTAC。
Antibody-PROTAC是一種探索新型抗體-PROTAC綴合物與抗體組裝的新策略。該技術能夠對不同細胞和組織中的蛋白質進行特異性降解，從而優(yōu)化治療窗口，減少廣譜 PROTAC 的副作用，并增加其作為藥物或化學工具的潛力。
適配體是具有復雜三維結構的單鏈核酸，主要包括莖、環(huán)、發(fā)夾和G4聚合物。它們通過氫鍵、范德華力、堿基堆積力、靜電效應等特殊作用與靶蛋白結合，具有較高的特異性和親和力，可提高傳統(tǒng)PROTAC的水溶性、膜通透性和腫瘤靶向性。
在癌癥的發(fā)生和發(fā)展過程中，通常有多種因素共同作用，包括不同種類的激酶和生長因子，它們可以獨立作用，也可以通過信號網絡相互干擾。該方法主要是設計一個結合兩個或多個藥效團的單一分子，同時靶向兩個或多個抗腫瘤靶點。
葉酸受體 α (FOLR1) 在正常組織中表達較低，但在許多人類癌癥中表達較高。葉酸籠式 PROTAC 是另一種提高 PROTAC 靶向特異性的技術?；驹硎菍⑷~酸基團引入PROTAC分子中，實現(xiàn)在靶細胞和組織中的釋放。該技術中，葉酸通過細胞內源性水解酶的作用釋放出活性PROTAC，然后降解劑誘導目標蛋白的降解。
轉錄因子（TF）是一類參與基因表達和調控的蛋白質，也是癌癥治療的潛在靶點。與傳統(tǒng)激酶不同，轉錄因子不具有激酶或其他酶中常見的活性口袋或變構調節(jié)位點，這使得它們難以被小分子抑制劑靶向。由于TF可以結合特定的DNA序列并調節(jié)轉錄過程，因此理論上可以靶向具有不同DNA序列的TF而不是小分子抑制劑。因此，TF-PROTAC將靶向蛋白的小分子配體替換為相應的DNA序列，從而形成TF-PROTAC，靶向特異性TF，并誘導其降解，從而調節(jié)特異性TF的水平和生物學功能。
與其他藥物和療法相比， PROTACs具有許多潛在的優(yōu)勢，例如廣泛的組織分布和口服給藥。與其他療法（如細胞療法、抗體藥物等）相比，PROTAC的生產工藝更為簡單。與小分子藥物相比，PROTAC可以靶向更多小分子藥物無法靶向的靶點，從而產生更好的療效。因此，PROTAC技術受到業(yè)界高度關注，并開始應用于癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經退行性疾病等藥物研發(fā)，其中以癌癥領域的應用為主一。
PROTACs作為一項新興且有前景的技術，在以下方面顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
首先，PROTAC 對耐藥靶點表現(xiàn)出異常的敏感性。傳統(tǒng)上，化療一直是癌癥治療的主要手段，但化療藥物的獲得性耐藥性阻礙了臨床應用并導致疾病復發(fā)。后來開發(fā)出激酶抑制劑，免疫療法也暴露了耐藥性的問題。由于PROTAC通過清除整個靶蛋白來影響蛋白功能，包括酶促活性功能和非酶促功能，因此該技術有望解決當前治療面臨的潛在耐藥性。
其次，PROTACs有潛力瞄準“不可成藥的目標"。大多數(shù)小分子藥物或大分子抗體需要與酶或受體的活性位點結合才能發(fā)揮作用；然而，據(jù)估計，人體細胞中 80% 的蛋白質都缺乏這樣的位點。 PROTAC 可以通過任何角落和縫隙抓住目標蛋白質。
第三，PROTACs可以影響非酶功能。傳統(tǒng)的小分子藥物通常通過消除其靶標的酶活性來發(fā)揮作用。越來越多的研究表明，PROTACs具有擴大靶點“可成藥空間"并控制蛋白酶和非酶功能的潛力。
PROTAC 與其他治療技術的比較
（來源：信號轉導和靶向治療）
Arivinas由Craig Crews創(chuàng)立，進行 PROTAC技術的藥物開發(fā)。 近兩年， Arivinas公司開發(fā)的針對雄激素受體（AR）的PROTAC抑制劑ARV-110和針對雌激素受體（ER）的PROTAC抑制劑ARV-471在前列腺癌和乳腺癌中得到了臨床驗證，分別是PROTAC技術應用的里程碑。
除了作為研究工具外，PROTAC 在疾病治療方面也具有巨大的應用潛力。它已成為一種新的藥物發(fā)現(xiàn)模式，有潛力將傳統(tǒng)藥物發(fā)現(xiàn)轉變?yōu)樾碌闹匕醑煼?。截?022年3月，如下表所示，全球已有十余種PROTAC藥物進入臨床開發(fā)階段。其中Arvinas的ARV-110和ARV-471已進入臨床II期，是PROTAC藥物中臨床進展最快的。
表1. 全球臨床和IND階段基于PROTAC技術的蛋白降解候選藥物匯總
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
與其他藥物和療法相比，PROTACs具有許多潛在的優(yōu)勢，例如廣泛的組織分布和口服給藥。與其他療法（如細胞療法、抗體藥物等）相比，PROTAC的生產工藝更為簡單。與小分子藥物相比，PROTAC可以靶向更多小分子藥物無法靶向的靶點，從而產生更好的療效。因此，PROTAC技術受到業(yè)界高度關注，并開始應用于癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經退行性疾病等藥物研發(fā)，其中以癌癥領域的應用為主一。由克雷格·克魯斯 (Craig Crews) 創(chuàng)立的阿里維納斯 (Arivinas) 是第一個推出該藥物的公司PROTAC技術的發(fā)展。近兩年，Arivinas公司開發(fā)的針對雄激素受體（AR）的PROTAC抑制劑ARV-110和針對雌激素受體（ER）的PROTAC抑制劑ARV-471在前列腺癌和乳腺癌中得到了臨床驗證，分別是PROTAC技術應用的里程碑。
盡管PROTAC在過去20年中發(fā)展迅速，但仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。這些挑戰(zhàn)主要來自兩個方面，即PROTAC分子設計和成藥性的優(yōu)化，以及生物活性的綜合評價。第一個是關于 PROTAC 的分子設計和成藥性，涉及靶蛋白配體、新的 E3 連接酶配體和新的接頭。二是生物活性評價，涉及PROTAC分子的篩選、成藥性評價和藥理評價。這些問題目前還沒有現(xiàn)成的答案，但相信隨著更多生物學、藥理學和臨床研究的發(fā)展，新的評價方法和體系將逐步建立來解決這些問題。相信未來會有越來越多的PROTAC進入臨床前和臨床研究，這將進一步測試PROTACs的治療效果。預計未來PROTAC技術將為人類疾病治療和生命健康帶來裨益。
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