诱导蛋白降解是现在小分子药物一个重要前沿

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原创： 路人丙
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昨天《自然化学生物学》发表一篇由哈佛大学和诺华有关PROTAC设计的文章。这个工作以BRD4蛋白与E3链接酶CRBN的相互作用为模型，通过比较多个蛋白晶体结构发现不同长度的PROTAC尽管两端分别与CRBN和BRD4结合的分子结构一样，但因为linker长度不同会诱导CRBN和BRD4的相互作用区域完全不同，这导致选择性不同。作者利用一个叫做Rosetta的蛋白相互作用计算软件可以大概算出E3链接酶与目标蛋白结合模式，并可以据此设计满足某个作用模式的PROTAC分子。作为概念验证作者设计了一个叫做ZXH-3-26的PROTAC（估计是作者之一Zhixiang He某年3月26日合成的）,仅因为linker不同就对BRD降解有很高的亚型选择性。
药源解析
诱导蛋白降解是现在小分子药物一个重要前沿，现在已经有很多蛋白可以通过这个技术被降解。本文作者之一、诺华研发总监Jay Bradner今年说借助点运气我们可以降解任何蛋白。但现在我们对这个降解过程的细节还了解有限，很多PROTAC不能降解目标蛋白。从一方面看是这个技术还有很大局限性，找到能降解目标蛋白的PROTAC需要很多试错实验。但从令一方面看也说明PROTAC可能比传统小分子药物选择性更高（同样结合力但降解能力不同），这是一个巨大优势。这一点已经逐渐被证实，如无选择性泛激酶抑制剂组装的PROTAC只降解少数激酶。
现在已知600多种E3链接酶，每个都有一系列天然底物。但PROTAC技术希望利用泛素系统降解疾病相关蛋白，而这个蛋白未必是已有配体E3链接酶的天然底物，因为现在只有几个E3链接酶有结合力较高小分子配体。如果目标蛋白不是E3链接酶天然底物，那么这两个蛋白之间的相互作用可能杂乱无章、因为这些相互作用没有经过进化选择。事实上这个工作发现这两个蛋白确实有多种作用方式。这个工作用BRD4的两个序列不同、但与著名PROTAC分子JQ1结合能力相同的结构域BD1和BD2为模型。因为结合力相同，所以降解速度不同主要因为蛋白序列/相互作用差异造成。作者也有晶体结构证明这一点，虽然分辨率并不高。
去年邓迪大学Ciulli首次得到一个PROTAC化合物MZ1与降解底物BRD4和E3连接酶VHL形成的三组分复合物的晶体结构，显示E3与目标蛋白的相互作用对降解效率有重要影响。Ciulli的工作还发现PROTAC（用的是MZ1）还有结合协同效应，即与VHL结合后增加了与BRD的结合力。但今天这个工作发现这不一定具有普遍性，他们测试的所有PROTAC分子都是与CRBN结合后降低了与BRD的结合力。作者也说结合协同效应并非降解蛋白的关键因素。今天这个工作进一步证明E3/靶标蛋白相互作用对PROTAC选择性和活性的重要性，能计算、预测这些相互作用更是一个重要发现。因为现在多数E3链接酶是否能用于PROTAC还是个未知数。一个原因是没有小分子配体，现在看是否能与靶标蛋白有足够相互作用也将是一个重要因素。