生物化学家克雷格·克鲁斯首次设法用一种奇异的新化合物让蛋白质按指令消失时，他说他认为这是一种“客厅把戏”，“一种有趣的化学奇观”。
今天，这种有趣的把戏正在推动罗氏、辉瑞、默克、诺华和葛兰素史克等制药公司数十亿美元的投资。“我认为你可以推断，几乎每家公司都在这个领域有项目，”位于加利福尼亚州千橡市安进公司全球研究高级副总裁，也是克鲁斯早期合作者之一的雷蒙德·德沙耶斯说。
这种名为靶向蛋白质降解的药物策略，利用了细胞清除不需要或受损蛋白质的自然系统。这些蛋白质降解剂形式多样，但今年即将进入临床试验的一种类型是克鲁斯在耶鲁大学（位于康涅狄格州纽黑文市）花费 20 多年开发的一种：蛋白水解靶向嵌合体，或 PROTAC。
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PROTAC 庞大而笨重，与传统药物的认知相悖。但它们也提出了解决一些最顽固疾病的可能性。因为它们破坏而不是抑制蛋白质，并且可以在其他药物无法结合的地方与蛋白质结合，所以蛋白质降解剂有可能被用来攻击药物开发商长期以来认为“不可成药”的靶标：癌症的罪魁祸首，如 MYC 蛋白，或在阿尔茨海默病中缠结的 tau 蛋白。
英国邓迪大学的生物化学家阿莱西奥·丘利说：“这是一个新的领域。“我们正在打破我们认为可成药的规则。”
该领域有理由感到乐观。2014 年，科学家发现，多发性骨髓瘤治疗药物来那度胺 (Revlimid) 是世界上最畅销的药物之一，其工作方式与蛋白质降解剂类似，可以分解两种以前无法触及的蛋白质。
然而，该领域缺乏已发表的数据来证实 PROTAC 和其他新兴化合物可以使不可成药的蛋白质消失。而且，关于这些奇特的分子在体内如何以及在何处发挥作用，仍然存在疑问。
目前，所有人的目光都集中在 Arvinas 身上，这是一家由克鲁斯在康涅狄格州纽黑文市创立的生物技术公司。该公司计划开始测试一种用于治疗前列腺癌的 PROTAC，尽管它攻击的是一种已被其他药物成功靶向的蛋白质。“我们正处于证明这些 PROTAC 可以成为药物的风口浪尖，”Arvinas 公司生物学高级副总裁伊恩·泰勒说。“紧随其后的是：我们能否用不可成药的蛋白质做到这一点？”
学术练习
在示意图中，PROTAC 通常看起来像哑铃。它们是由两个结合端通过一条细细的系绳连接而成的分子。
作用发生在末端。一个抓住靶蛋白，而另一个抓住泛素连接酶——细胞自然垃圾处理系统的一部分，该系统通过在缺陷或受损蛋白质上贴上一种名为泛素的小蛋白质来标记它们（参见标记以销毁）。泛素标签就像“请收集”标签，指示细胞的蛋白质粉碎机（称为蛋白酶体）执行其工作。
来源：自然
邻近性在生物学中占很大比重，因此通过简单地将连接酶和靶蛋白聚集在一起，PROTAC 确保靶标将被标记以进行破坏。连接酶是高效的，而泛素（顾名思义）是丰富的，因此单个 PROTAC 应该能够在整个细胞中重复执行其捕获和释放功能，这表明只需要少量此类药物即可产生强大的活性。
最早公开的 PROTAC 样分子的描述是在 1999 年由马里兰州盖瑟斯堡的 Proteinix 生物技术公司的两位科学家提交的专利中。在该专利中（参见 go.nature.com/2vyjf9l），约翰·肯顿和史蒂文·罗伯茨提出了利用细胞蛋白质降解系统的想法。同事们对这个想法不屑一顾，称肯顿和罗伯茨试图同时结合两种蛋白质——不需要的蛋白质和连接酶——从而使药物发现复杂化。“内部对此并没有太大的热情，”肯顿回忆说，他现在是马里兰州罗克维尔市 Meso Scale Diagnostics 的研究主管。Proteinix 没有继续采用这种方法。
但在美国的另一边，另一对头脑正在思考同样的想法。在 1998 年在华盛顿州西北部 Semiahmoo 湾风景优美的度假村举行的研究务虚会上，德沙耶斯停在克鲁斯的海报前，听他谈论使用小分子将两种蛋白质连接在一起。德沙耶斯当时是加利福尼亚理工学院帕萨迪纳分校的生物化学家，他深入研究了泛素连接酶。人类基因组编码大约 600 个泛素连接酶，它们需要与其他蛋白质形成复合物才能进行标记。大约一年前，德沙耶斯共同发现了一个蛋白质家族，现在已知包含 250 个泛素连接酶。
“突然想到，嗯，如果你可以将物质连接到泛素连接酶，那么你就可以潜在地驱动蛋白质的泛素化——及其降解，”德沙耶斯回忆道。他和克鲁斯整个周末都在继续聊天，并分手制定了一个计划，以寻找资金来探索这个想法。
当时，克鲁斯正在开发一种与 PROTAC 工作方式相反的药物。它阻断细胞中的泛素系统，导致蛋白质积累到危险水平，并最终触发细胞死亡。这项工作的成果卡非佐米 (Kyprolis) 现在被用于治疗血液癌症多发性骨髓瘤。“我认为另一方面也会同样有趣，”克鲁斯说。“事实证明确实如此。”
克鲁斯和德沙耶斯很快发表了一项研究，证明他们的第一个 PROTAC Protac-1 成功地抓取并导致了来自非洲爪蟾蛙卵提取物中一种称为 METAP2 的癌症相关蛋白质的降解。
克鲁斯说，尽管如此，Protac-1 离成为药物还差得很远，他称这篇论文为“学术练习”。第一代 PROTAC 在人体细胞中的活性较低，可能是因为这些化合物很难进入细胞内部。它们依靠大型、笨重的肽来结合连接酶。科学家们必须找到一种方法，使连接酶结合端更像药物——“有可能成为药物的东西，”克鲁斯说。或者他们需要继续前进。
在伦敦葛兰素史克的资助和研究支持下，克鲁斯继续前进，主要针对一种特定的连接酶，即 von Hippel-Lindau 病肿瘤抑制因子 (VHL)。2012 年，克鲁斯与他的研究生丹尼斯·巴克利和丘利（克鲁斯实验室的前访问学者）一起，报告了一种针对 VHL 的小分子结合剂。克鲁斯终于开始相信 PROTAC 真的可以成为药物。
寻找小分子
克鲁斯并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丹娜-法伯癌症研究所，化学生物学家詹姆斯·布拉德纳阅读了一篇由日本研究人员团队撰写的论文，该团队由当时在横滨东京工业大学的半田裕志领导。半田一直在试图了解臭名昭著的药物沙利度胺（在 1950 年代末和 1960 年代初在一些国家获批用于帮助缓解妊娠期恶心）为何会导致肢体发育问题。（它现在被批准用于治疗多发性骨髓瘤和皮肤病。）半田使用沙利度胺作为诱饵来捕获细胞中的蛋白质，发现该药物与一种名为 cereblon 的泛素连接酶结合并阻止其活性。他的团队发现，这种抑制作用会影响斑马鱼和小鸡的肢体生长和发育。
布拉德纳意识到，如果沙利度胺与泛素连接酶结合——这并非易事，因为此类酶出了名的难以捕获——那么也许他可以找到一种方法与同一连接酶结合，但将其靶向与疾病相关的蛋白质。2013 年，巴克利作为博士后研究员加入了布拉德纳的团队，他们开始寻找与 cereblon 结合的小分子。
在 2015 年 5 月和 6 月，由布拉德纳、丘利和克鲁斯领导的三个团队发表了五篇独立的论文，描述了具有强大、类似药物活性的新型小分子 PROTAC。克鲁斯与葛兰素史克的伊恩·彻彻一起，将 PROTAC 与 VHL 结合，并用它将几种蛋白质的水平降解至不到未处理细胞中存在的 10%。布拉德纳和他的同事将 cereblon 与他们的 PROTAC 结合，以降低一种致癌蛋白质的水平，丘利当时在邓迪大学，他的团队使用 VHL 作为连接酶，降解了相同的蛋白质。蛋白质降解剂在培养皿中的细胞和老鼠的人类肿瘤中均有效。
除了设计类似药物的蛋白质降解剂外，克鲁斯和布拉德纳的团队都构建了系统——分别是 HaloPROTAC 和 dTAG——使研究人员能够将靶向蛋白质降解作为实验室中的工具来使用，使用基因标签来标记培养细胞和小鼠中的蛋白质以进行破坏。化学家 Behnam Nabet 说，使用 dTAG，“您可以在几分钟或几小时内耗尽一种蛋白质，并监测会发生什么”，他与丹娜-法伯癌症研究所的 Nathanael Gray 一起领导了该系统的开发。“这为您研究癌基因、激酶和具有非常快速活性的蛋白质提供了强大的力量。”Nabet 说，dTAG 材料目前免费提供：超过 150 个学术实验室使用该探针来研究耗尽细胞中特定蛋白质的影响。
布拉德纳于 2016 年离开丹娜-法伯，成为诺华生物医学研究所所长，他估计大约 30 种独立的工具已经采用了这项技术。“化学探针的道路现在已经确立，”他说。“但是，用这些配体制造现实世界的药物的挑战是巨大的。”
淘金热
在 2015 年小分子 PROTAC 的热潮之后，已经离开该领域的德沙耶斯撰写了一篇评论文章，宣布 PROTAC 有可能成为一类主要的新型药物，可能超过蛋白质激酶抑制剂和单克隆抗体这两个有史以来最热门的药物开发领域。“淘金热开始了！”德沙耶斯当时写道。
从那时起，他说，这种情况只会愈演愈烈。他于 2017 年加入安进公司，现在负责监督该公司在该领域的工作。
泰勒说，Arvinas 试验预计将于 2019 年年中开始，将包括 28 至 36 名转移性前列腺癌男性，并将持续约九个月。任何新型药物通常都会针对一个众所周知的靶标，那里的生物学和毒理学都得到了很好的理解，而 Arvinas 的第一个候选药物也不例外。它降解雄激素受体，一种已经被少数已批准药物靶向的蛋白质。该公司希望通过降解而不是抑制受体，其 PROTAC 将能够治疗那些对现有药物产生耐药性或未见益处的人。如果该候选药物获得成功，该领域最终将获得所有人都在寻找的临床数据。Arvinas 将证明 PROTAC 可以成为一种药物。
这至关重要，因为人们对蛋白质降解剂是否能在人体内发挥作用存在相当大的疑问。完全组装好的 PROTAC 打破了众所周知的药物经验法则。其中最主要的是尺寸。一种好的小分子药物的质量通常小于 500 道尔顿。目前的 PROTAC 的质量在 1,000 道尔顿以上。然而，这些分子仍然可以进入细胞。克鲁斯怀疑这是因为它们可能被细胞膜识别为两个碰巧连接在一起的较小分子，而不是一个大的分子。
“我们正在抛弃我们对大于平均水平的小分子的先入为主的观念，”泰勒说。
关于不可成药的先入为主的观念也消失了。许多这些难以捉摸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。但据估计，人类细胞中 80% 的蛋白质缺乏这样的位点。然而，PROTAC 可以通过任何角落、缝隙或裂缝抓住蛋白质——它们不需要坐在活性口袋中才能发挥作用。因此，它们可以使这些蛋白质变得可及。
已经有一些证据支持这种方法。去年，伦敦癌症研究所的一个团队生产了一种小分子，可以与没有活性位点的转录因子调节器结合。他们通过连接泛素连接酶 cereblon 的结合剂，成功地创建了一种有效的 PROTAC。
该领域仍然缺乏已发表的证据证明 PROTAC 可以靶向和降解有价值的不可成药蛋白质。德沙耶斯说，安进公司有一种 PROTAC 在培养细胞和动物中均有效，可以对抗一种未命名的、高价值的癌症靶标，该靶标在历史上一直难以结合。Arvinas 声称拥有 PROTAC 在小鼠大脑中降解 tau 蛋白的体内证据。该公司在其网站上表示，将其 tau 蛋白降解剂直接注射到小鼠海马体中，可将 tau 蛋白水平降低 50%。
泰勒说，通过开发针对包括影响大脑的疾病在内的多种疾病的 PROTAC，许多研究人员希望表明该技术是“治疗领域不可知的”。各个团队也在努力扩大蛋白质降解剂可以招募的连接酶库。目前仅使用了四种主要的连接酶，包括 VHL 和 cereblon，更多种类的可用连接酶可以使药物开发人员能够将最有效的连接酶-PROTAC 组合与其细胞类型或感兴趣的蛋白质相匹配。“潜在地，任何连接酶都可以通过这种方法被劫持，”丘利说，他正在与德国制药公司勃林格殷格翰合作开发 PROTAC。
在新靶标、改进的效力和即将开始的临床试验的鼓舞下，研究人员准备证明蛋白质降解剂不仅仅是一种客厅把戏。“天空才是极限，”丘利说。“这只是时间问题。”
本文经许可转载，首次发表于 2019 年 3 月 20 日。