蛋白质杀灭药物可能是下一个重磅炸弹疗法

当克雷格·克鲁斯(Craig Crews)第一次设法让一种奇怪的新化合物使蛋白质消失时，生化学家说他认为这是一种“客厅技巧”，一种“可爱的化学好奇心”。

今天，这个可爱的伎俩正在推动数十亿美元的投资来自罗氏，辉瑞，默克，诺华和葛兰素史克等制药公司。“我认为你可以推断，几乎每家公司都有这个领域的项目，”加利福尼亚州Thousand Oaks的Amgen全球研究高级副总裁Raymond Deshaies说道，他是Crews的早期合作者之一。

称为靶向蛋白质降解的药物策略利用细胞的天然系统来清除不需要的或受损的蛋白质。这些蛋白质降解物有多种形式，但今年正在进行临床试验的类型是位于康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的Crews已经花了20多年的时间开发出来的：以蛋白水解为目标的嵌合体或PROTACs。

PROTAC庞大而笨拙，无视药物应该是什么的传统智慧。但他们也提出了解决一些最不屈不挠的疾病的可能性。因为它们会破坏而不是抑制蛋白质，并且可以与其他药物无法结合的蛋白质结合，蛋白质降解物可以被用来追踪药物开发者长期以来认为“不可摧毁”的目标：癌症加注的恶棍如蛋白质MYC，或在阿尔茨海默病中纠缠的tau蛋白质。

“这是一个新的领域，”英国邓迪大学的生物化学家Alessio Ciulli说。“我们违反了我们认为可药用的规则。”

该领域有理由保持乐观。在2014年，科学家发现，骨髓瘤治疗来那度胺(雷利米得)，是世界上最畅销的药物之一，以类似的方式工作，以蛋白质降解菌嚼了两个以前碰不得蛋白1，2。

然而，该领域缺乏公布的数据证实PROTAC和其他新兴化合物可以使不可摧毁的蛋白质消失。关于这些看起来奇怪的分子在体内的作用位置和方式存在疑问。

目前，所有的目光都集中在Arvinas，一家位于康涅狄格州New Haven的生物技术公司，由Crews创立。它计划开始测试前列腺癌的PROTAC，虽然攻击了其他药物成功靶向的蛋白质。“我们正在证明这些PROTAC可以成为药物，”阿维纳斯生物学高级副总裁伊恩泰勒说。“紧接着就是：我们可以用不可挽回的方式做到这一点吗?”

学术练习

在图表中，PROTAC通常看起来像哑铃。它们是由两个通过细绳连接的结合末端组成的分子。

行动发生在最后。一个人抓住目标蛋白质，而另一个人抓住泛素连接酶 - 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质打到它们上来标记有缺陷或受损的蛋白质(参见“标记为破坏”) 。泛素标签充当“请收集”贴纸，指示细胞的蛋白质粉碎机，称为蛋白酶体，做它的事情。

Proximity在生物学中占了很大比例，因此通过简单地将连接酶和靶蛋白结合在一起，PROTAC可确保靶标被标记为破坏。如名称所示，连接酶是有效的并且泛素很多，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，这表明只有少量这样的药物需要用于强效活动。 。

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最早出版的PROTAC类分子的描述。在该专利中(参见go.nature.com/2vyjf9l)，JohnKenten和Steven Roberts建议选择细胞的蛋白质降解系统。同事们驳斥了这个想法，称Kenten和Roberts试图通过试图同时结合两种蛋白质 - 不需要的蛋白质和连接酶 - 来使药物发现复杂化。“内部没有太大的热情，”现在马里兰州罗克维尔Meso Scale Diagnostics的研究主管Kenten回忆道。Proteinix没有采用这种方法。

但在美国的另一边，另一对思想正在考虑同样的想法。在1998年在华盛顿西北部Semiahmoo湾一个风景优美的度假胜地进行研究后，Deshaies在Crews的一张海报前停了下来，听他谈论用小分子将两种蛋白质连接在一起。Deshaies，当时是帕萨迪纳加州理工学院的生物化学家，在泛素连接酶的研究中处于领先地位。人类基因组编码其中大约600个，需要与其他蛋白质形成复合物以进行标记。约一年前，德赛曾共同发现3的蛋白家族现在已知含有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连接起来，那么你可能会推动蛋白质的泛素化 - 以及它的降解，这并不是一个很大的飞跃。”他和克鲁斯在整个周末继续聊天，并分道扬with，寻找资金来探索这个想法。

当时，Crews正在开发一种与PROTAC相反的药物。它阻断了细胞中的泛素系统，导致蛋白质积聚到危险水平，最终导致细胞死亡。这项工作的结果，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，”克鲁斯说。“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4。

尽管如此，Protac-1还远远不是一种药物，克鲁斯说，他称该论文为“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。他们依靠大而笨拙的肽来结合连接酶。科学家必须找到一种方法，使连接酶结合末端更像药物 - “有可能成为药物的东西，”克鲁斯说。或者他们需要继续前进。

在葛兰素史克公司在伦敦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，von Hippel-Lindau疾病抑制因子(VHL)。2012年，Crews与他的研究生Dennis Buckley以及Crews实验室前访问学者Ciulli一起报道了用于VHL5的小分子粘合剂。工作人员终于开始相信PROTAC真的可以成为毒品。

钓小分子

Crews不是唯一一个追逐蛋白质降解剂的人。2010年，在马萨诸塞州波士顿的Dana-Farber癌症研究所，化学生物学家詹姆斯·布拉德纳在日本的一个研究小组读了一篇论文，由Hiroshi Handa领导，然后在东京理工大学横滨6。汉达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年代早期在一些国家被批准用于帮助怀孕期间的恶心，导致肢体发育出现问题。(它现在被批准用于治疗多发性骨髓瘤和皮肤病。)使用沙利度胺作为诱饵捕获细胞中的蛋白质，Handa发现该药物可以钩住并阻断一种叫做脑脊髓的泛素连接酶的活性。他的研究小组发现，这种抑制会影响斑马鱼和小鸡的肢体生长和发育6。

布拉德纳意识到，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 - 那么也许他可能找到一种方法来结合相同的连接酶，但将其靶向与疾病有关的蛋白质。2013年，巴克利加入布拉德纳的团队担任博士后研究员，他们开始寻找与脑电图结合的小分子。

在五月和2015年6月，三队-由Bradner，Ciulli和船员领导-出版了五篇描述与强效的药物样活性的小分子PROTACs独立的论文7-11。与GlaxoSmithKline的Ian Churcher一起，Crews将PROTAC与VHL结合并用它将几种蛋白质的水平降低至低于未处理细胞中存在的蛋白质的10%7。布拉德纳和他的同事将脑电图与他们的PROTAC结合，以降低致癌蛋白8和Ciuli的水平，然后在邓迪大学，他的团队使用VHL作为连接酶9降解相同的蛋白质。蛋白质降解剂在培养皿中的细胞和小鼠的人类肿瘤中均起作用。

除了设计类似药物的蛋白质降解剂外，Crews和Bradner的团队还拥有两个内置系统 - HaloPROTACs10和dTAG12分别 - 使研究人员能够将靶向蛋白质降解作为实验室中的工具，使用遗传标记标记蛋白质在培养细胞和小鼠中进行破坏。使用dTAG，“你可以在几分钟或几小时内消耗一种蛋白质并监测发生的情况”，化学生物学家Behnam Nabet说道，他在Dana-Farber癌症研究所与Nathanael Gray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很大的动力。”dTAG材料目前免费提供：超过150个学术实验室使用探针研究消耗细胞中特定蛋白质的影响， Nabet。

布拉德纳于2016年离开Dana-Farber成为诺华生物医学研究所的主席，他估计大约有30种不同的工具已经采用了该技术。“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实药物的挑战是巨大的。”

淘金热

在2015年爆发的小分子PROTAC之后，已离开该领域的Deshaies撰写了一篇评论文章，宣称PROTACs有可能成为一种主要的新型药物，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13。“淘金热已经开始了!”Deshaies当时写道。

从那时起，他说，它只是愈演愈烈。他于2017年加入Amgen，现在负责该公司在该地区的工作。

泰勒说，预计将于2019年中期开始的Arvinas试验将包括28-36名患有转移性前列腺癌的男性，并将持续约9个月。任何新类药物通常都会追踪一个众所周知的目标，其中生物学和毒理学是众所周知的，而阿维纳斯的第一个候选药物也不例外。它会降解雄激素受体，这是一种已经被少数批准的药物靶向的蛋白质。该公司希望通过降解而不是抑制受体，其PROTAC将能够治疗那些已经对现有药物产生抗药性或没有受益的人。如果候选人成功，该领域将最终拥有每个人都在寻找的临床数据。阿维纳斯将证明PROTAC可以成为一种药物。

这一点至关重要，因为人们对蛋白质降解酶是否可以在人体中发挥作用存在相当大的疑问。完全组装的PROTAC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道尔顿的质量。目前的PROTAC范围超过1,000道尔顿。然而，分子仍然可以进入细胞7，10，11。Crews怀疑这是因为它们可能被细胞膜识别为两个碰巧被束缚在一起的较小分子，而不是一个大的分子。

泰勒说：“我们抛弃了一些关于大于平均值的小分子的先入为主的观念。”

窗外也是关于不可饶恕者的先入为主的想法。许多这些严格的蛋白质靶标的问题在于，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。但估计人类细胞中80%的蛋白质缺乏此类位点。然而，PROTAC可以通过任何角落，裂缝或缝隙抓取蛋白质 - 它们不需要坐在活跃的口袋中工作。因此他们可以使这些蛋白质可访问。

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生产了一种小分子，可以与没有活性位点的转录因子调节剂结合14。他们通过附加泛素连接酶脑胶的粘合剂，能够创造出有效的PROTAC。

该领域仍然缺乏已发表的PROTAC证据，该证据可以靶向并降解有价值的不可摧毁的蛋白质。Deshaies说Amgen在培养的细胞和动物体内都有一种有效的PROTAC对抗一种历史上很难结合的未命名的高价值癌症靶点。Arvinas声称有体内证据表明PROTAC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水平降低了50%。

通过开发针对一系列疾病(包括影响大脑的疾病)的PROTAC，泰勒表示许多研究人员希望证明该技术是“治疗领域不​​可知”。各种团队也在努力扩大蛋白质降解剂可以募集的连接酶库。目前仅使用四种主要的，包括VHL和cereblon，并且更广泛的可用连接酶可使药物开发者能够使最有效的连接酶-PROTAC组合与其感兴趣的细胞类型或蛋白质相匹配。“潜在地，任何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Boehringer Ingelheim合作开发PROTACs。

受到新目标，提高效力和即将开始的临床试验的鼓舞，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技巧。“天空是极限，”Ciulli说。“这只是一个什么时候的问题。