當克雷格·克魯斯(Craig Crews)第一次設(shè)法讓一種奇怪的新化合物使蛋白質(zhì)消失時，生化學(xué)家說他認為這是一種“客廳技巧”，一種“可愛的化學(xué)好奇心”。

今天，這個可愛的伎倆正在推動數(shù)十億美元的投資來自羅氏，輝瑞，默克，諾華和葛蘭素史克等制藥公司。“我認為你可以推斷，幾乎每家公司都有這個領(lǐng)域的項目，”加利福尼亞州Thousand Oaks的Amgen全球研究高級副總裁Raymond Deshaies說道，他是Crews的早期合作者之一。

稱為靶向蛋白質(zhì)降解的藥物策略利用細胞的天然系統(tǒng)來清除不需要的或受損的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)降解物有多種形式，但今年正在進行臨床試驗的類型是位于康涅狄格州紐黑文市耶魯大學(xué)的Crews已經(jīng)花了20多年的時間開發(fā)出來的：以蛋白水解為目標的嵌合體或PROTACs。

PROTAC龐大而笨拙，無視藥物應(yīng)該是什么的傳統(tǒng)智慧。但他們也提出了解決一些最不屈不撓的疾病的可能性。因為它們會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)結(jié)合，蛋白質(zhì)降解物可以被用來追蹤藥物開發(fā)者長期以來認為“不可摧毀”的目標：癌癥加注的惡棍如蛋白質(zhì)MYC，或在阿爾茨海默病中糾纏的tau蛋白質(zhì)。

“這是一個新的領(lǐng)域，”英國鄧迪大學(xué)的生物化學(xué)家Alessio Ciulli說。“我們違反了我們認為可藥用的規(guī)則。”

該領(lǐng)域有理由保持樂觀。在2014年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，骨髓瘤治療來那度胺(雷利米得)，是世界上最暢銷的藥物之一，以類似的方式工作，以蛋白質(zhì)降解菌嚼了兩個以前碰不得蛋白1，2。

然而，該領(lǐng)域缺乏公布的數(shù)據(jù)證實PROTAC和其他新興化合物可以使不可摧毀的蛋白質(zhì)消失。關(guān)于這些看起來奇怪的分子在體內(nèi)的作用位置和方式存在疑問。

目前，所有的目光都集中在Arvinas，一家位于康涅狄格州New Haven的生物技術(shù)公司，由Crews創(chuàng)立。它計劃開始測試前列腺癌的PROTAC，雖然攻擊了其他藥物成功靶向的蛋白質(zhì)。“我們正在證明這些PROTAC可以成為藥物，”阿維納斯生物學(xué)高級副總裁伊恩泰勒說。“緊接著就是：我們可以用不可挽回的方式做到這一點嗎?”

學(xué)術(shù)練習

在圖表中，PROTAC通?？雌饋硐駟♀?。它們是由兩個通過細繩連接的結(jié)合末端組成的分子。

行動發(fā)生在最后。一個人抓住目標蛋白質(zhì)，而另一個人抓住泛素連接酶 - 細胞的天然垃圾處理系統(tǒng)的一部分，通過將一種叫做泛素的小蛋白質(zhì)打到它們上來標記有缺陷或受損的蛋白質(zhì)(參見“標記為破壞”) 。泛素標簽充當“請收集”貼紙，指示細胞的蛋白質(zhì)粉碎機，稱為蛋白酶體，做它的事情。

Proximity在生物學(xué)中占了很大比例，因此通過簡單地將連接酶和靶蛋白結(jié)合在一起，PROTAC可確保靶標被標記為破壞。如名稱所示，連接酶是有效的并且泛素很多，因此單個PROTAC應(yīng)該能夠在整個細胞中反復(fù)執(zhí)行其捕獲和釋放功能，這表明只有少量這樣的藥物需要用于強效活動。 。

1999年，馬里蘭州蓋瑟斯堡的一家生物技術(shù)公司Proteinix的兩位科學(xué)家提交了一份最早出版的PROTAC類分子的描述。在該專利中(參見go.nature.com/2vyjf9l)，JohnKenten和Steven Roberts建議選擇細胞的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)。同事們駁斥了這個想法，稱Kenten和Roberts試圖通過試圖同時結(jié)合兩種蛋白質(zhì) - 不需要的蛋白質(zhì)和連接酶 - 來使藥物發(fā)現(xiàn)復(fù)雜化。“內(nèi)部沒有太大的熱情，”現(xiàn)在馬里蘭州羅克維爾Meso Scale Diagnostics的研究主管Kenten回憶道。Proteinix沒有采用這種方法。

但在美國的另一邊，另一對思想正在考慮同樣的想法。在1998年在華盛頓西北部Semiahmoo灣一個風景優(yōu)美的度假勝地進行研究后，Deshaies在Crews的一張海報前停了下來，聽他談?wù)撚眯》肿訉煞N蛋白質(zhì)連接在一起。Deshaies，當時是帕薩迪納加州理工學(xué)院的生物化學(xué)家，在泛素連接酶的研究中處于領(lǐng)先地位。人類基因組編碼其中大約600個，需要與其他蛋白質(zhì)形成復(fù)合物以進行標記。約一年前，德賽曾共同發(fā)現(xiàn)3的蛋白家族現(xiàn)在已知含有250個泛素連接酶。

Deshaies回憶說：“如果你能將這些東西與泛素連接酶連接起來，那么你可能會推動蛋白質(zhì)的泛素化 - 以及它的降解，這并不是一個很大的飛躍。”他和克魯斯在整個周末繼續(xù)聊天，并分道揚with，尋找資金來探索這個想法。

當時，Crews正在開發(fā)一種與PROTAC相反的藥物。它阻斷了細胞中的泛素系統(tǒng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)積聚到危險水平，最終導(dǎo)致細胞死亡。這項工作的結(jié)果，carfilzomib(Kyprolis)，現(xiàn)在用于治療血癌多發(fā)性骨髓瘤。“我認為反面也同樣有趣，”克魯斯說。“事實證明確實如此。”

Crews和Deshaies很快發(fā)表了一項研究，證明他們的第一個PROTAC，Protac-1成功地抓住并導(dǎo)致了非洲爪蟾蛙卵提取物中與癌癥相關(guān)的蛋白質(zhì)METAP2的降解4。

盡管如此，Protac-1還遠遠不是一種藥物，克魯斯說，他稱該論文為“學(xué)術(shù)演習”。第一代PROTACs在人體細胞中的活性很低，可能是因為這些化合物難以進入。他們依靠大而笨拙的肽來結(jié)合連接酶?？茖W(xué)家必須找到一種方法，使連接酶結(jié)合末端更像藥物 - “有可能成為藥物的東西，”克魯斯說?；蛘咚麄冃枰^續(xù)前進。

在葛蘭素史克公司在倫敦的資助和研究支持下，Crews繼續(xù)推進，主要針對一種特殊的連接酶，von Hippel-Lindau疾病抑制因子(VHL)。2012年，Crews與他的研究生Dennis Buckley以及Crews實驗室前訪問學(xué)者Ciulli一起報道了用于VHL5的小分子粘合劑。工作人員終于開始相信PROTAC真的可以成為毒品。

釣小分子

Crews不是唯一一個追逐蛋白質(zhì)降解劑的人。2010年，在馬薩諸塞州波士頓的Dana-Farber癌癥研究所，化學(xué)生物學(xué)家詹姆斯·布拉德納在日本的一個研究小組讀了一篇論文，由Hiroshi Handa領(lǐng)導(dǎo)，然后在東京理工大學(xué)橫濱6。漢達一直試圖理解為什么臭名昭著的藥物沙利度胺在20世紀50年代末和60年代早期在一些國家被批準用于幫助懷孕期間的惡心，導(dǎo)致肢體發(fā)育出現(xiàn)問題。(它現(xiàn)在被批準用于治療多發(fā)性骨髓瘤和皮膚病。)使用沙利度胺作為誘餌捕獲細胞中的蛋白質(zhì)，Handa發(fā)現(xiàn)該藥物可以鉤住并阻斷一種叫做腦脊髓的泛素連接酶的活性。他的研究小組發(fā)現(xiàn)，這種抑制會影響斑馬魚和小雞的肢體生長和發(fā)育6。

布拉德納意識到，如果沙利度胺與泛素連接酶結(jié)合 - 這絕非易事，因為這種酶很難被抓住 - 那么也許他可能找到一種方法來結(jié)合相同的連接酶，但將其靶向與疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)。2013年，巴克利加入布拉德納的團隊擔任博士后研究員，他們開始尋找與腦電圖結(jié)合的小分子。

在五月和2015年6月，三隊-由Bradner，Ciulli和船員領(lǐng)導(dǎo)-出版了五篇描述與強效的藥物樣活性的小分子PROTACs獨立的論文7-11。與GlaxoSmithKline的Ian Churcher一起，Crews將PROTAC與VHL結(jié)合并用它將幾種蛋白質(zhì)的水平降低至低于未處理細胞中存在的蛋白質(zhì)的10%7。布拉德納和他的同事將腦電圖與他們的PROTAC結(jié)合，以降低致癌蛋白8和Ciuli的水平，然后在鄧迪大學(xué)，他的團隊使用VHL作為連接酶9降解相同的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)降解劑在培養(yǎng)皿中的細胞和小鼠的人類腫瘤中均起作用。

除了設(shè)計類似藥物的蛋白質(zhì)降解劑外，Crews和Bradner的團隊還擁有兩個內(nèi)置系統(tǒng) - HaloPROTACs10和dTAG12分別 - 使研究人員能夠?qū)邢虻鞍踪|(zhì)降解作為實驗室中的工具，使用遺傳標記標記蛋白質(zhì)在培養(yǎng)細胞和小鼠中進行破壞。使用dTAG，“你可以在幾分鐘或幾小時內(nèi)消耗一種蛋白質(zhì)并監(jiān)測發(fā)生的情況”，化學(xué)生物學(xué)家Behnam Nabet說道，他在Dana-Farber癌癥研究所與Nathanael Gray一起領(lǐng)導(dǎo)該系統(tǒng)的開發(fā)。“這為研究癌基因，激酶和具有非?？焖倩钚缘牡鞍踪|(zhì)提供了很大的動力。”dTAG材料目前免費提供：超過150個學(xué)術(shù)實驗室使用探針研究消耗細胞中特定蛋白質(zhì)的影響， Nabet。

布拉德納于2016年離開Dana-Farber成為諾華生物醫(yī)學(xué)研究所的主席，他估計大約有30種不同的工具已經(jīng)采用了該技術(shù)。“化學(xué)探針的發(fā)展方向現(xiàn)已確立，”他說。“但是用這些配體制造真實藥物的挑戰(zhàn)是巨大的。”

淘金熱

在2015年爆發(fā)的小分子PROTAC之后，已離開該領(lǐng)域的Deshaies撰寫了一篇評論文章，宣稱PROTACs有可能成為一種主要的新型藥物，可能超過有史以來最熱門的兩個藥物開發(fā)領(lǐng)域。 - 蛋白激酶抑制劑和單克隆抗體13。“淘金熱已經(jīng)開始了!”Deshaies當時寫道。

從那時起，他說，它只是愈演愈烈。他于2017年加入Amgen，現(xiàn)在負責該公司在該地區(qū)的工作。

泰勒說，預(yù)計將于2019年中期開始的Arvinas試驗將包括28-36名患有轉(zhuǎn)移性前列腺癌的男性，并將持續(xù)約9個月。任何新類藥物通常都會追蹤一個眾所周知的目標，其中生物學(xué)和毒理學(xué)是眾所周知的，而阿維納斯的第一個候選藥物也不例外。它會降解雄激素受體，這是一種已經(jīng)被少數(shù)批準的藥物靶向的蛋白質(zhì)。該公司希望通過降解而不是抑制受體，其PROTAC將能夠治療那些已經(jīng)對現(xiàn)有藥物產(chǎn)生抗藥性或沒有受益的人。如果候選人成功，該領(lǐng)域?qū)⒆罱K擁有每個人都在尋找的臨床數(shù)據(jù)。阿維納斯將證明PROTAC可以成為一種藥物。

這一點至關(guān)重要，因為人們對蛋白質(zhì)降解酶是否可以在人體中發(fā)揮作用存在相當大的疑問。完全組裝的PROTAC打破了眾所周知的藥物經(jīng)驗法則。其中最主要的是尺寸。良好的小分子藥物通常具有小于500道爾頓的質(zhì)量。目前的PROTAC范圍超過1,000道爾頓。然而，分子仍然可以進入細胞7，10，11。Crews懷疑這是因為它們可能被細胞膜識別為兩個碰巧被束縛在一起的較小分子，而不是一個大的分子。

泰勒說：“我們拋棄了一些關(guān)于大于平均值的小分子的先入為主的觀念。”

窗外也是關(guān)于不可饒恕者的先入為主的想法。許多這些嚴格的蛋白質(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。但估計人類細胞中80%的蛋白質(zhì)缺乏此類位點。然而，PROTAC可以通過任何角落，裂縫或縫隙抓取蛋白質(zhì) - 它們不需要坐在活躍的口袋中工作。因此他們可以使這些蛋白質(zhì)可訪問。

已有一些證據(jù)支持這種方法。去年，倫敦癌癥研究所的一個研究小組生產(chǎn)了一種小分子，可以與沒有活性位點的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)劑結(jié)合14。他們通過附加泛素連接酶腦膠的粘合劑，能夠創(chuàng)造出有效的PROTAC。

該領(lǐng)域仍然缺乏已發(fā)表的PROTAC證據(jù)，該證據(jù)可以靶向并降解有價值的不可摧毀的蛋白質(zhì)。Deshaies說Amgen在培養(yǎng)的細胞和動物體內(nèi)都有一種有效的PROTAC對抗一種歷史上很難結(jié)合的未命名的高價值癌癥靶點。Arvinas聲稱有體內(nèi)證據(jù)表明PROTAC可降低小鼠大腦中的tau蛋白。該公司在其網(wǎng)站上稱，將其tau蛋白質(zhì)降解劑直接注入小鼠海馬體后，將tau水平降低了50%。

通過開發(fā)針對一系列疾病(包括影響大腦的疾病)的PROTAC，泰勒表示許多研究人員希望證明該技術(shù)是“治療領(lǐng)域不??可知”。各種團隊也在努力擴大蛋白質(zhì)降解劑可以募集的連接酶庫。目前僅使用四種主要的，包括VHL和cereblon，并且更廣泛的可用連接酶可使藥物開發(fā)者能夠使最有效的連接酶-PROTAC組合與其感興趣的細胞類型或蛋白質(zhì)相匹配。“潛在地，任何連接酶都可以通過這種方法被劫持，”Ciulli說，他正在與德國制藥公司Boehringer Ingelheim合作開發(fā)PROTACs。

受到新目標，提高效力和即將開始的臨床試驗的鼓舞，研究人員已經(jīng)準備好證明蛋白質(zhì)降解劑不僅僅是一種客廳技巧。“天空是極限，”Ciulli說。“這只是一個什么時候的問題。