一直以来，生物技术的发展是创新肿瘤药物研发的源头活水。目前肿瘤新药研究如火如荼，小分子药物更是引入了一项革命性的新技术——蛋白水解靶向嵌合体（proteolysis targeting chimera, PROTAC）。随着这项技术的不断发展及完善，从少有认同到现在的备受热捧，PROTAC如今已获得众多肿瘤药物研发者的青睐，并开始进军晚期乳腺癌治疗领域。基于此，【肿瘤资讯】聚焦肿瘤治疗领域新星PROTAC，追本溯源，梳理其过去20年的发展脉络，探讨其未来发展前景。
基于泛素-蛋白酶体系统的定向蛋白质降解：PROTAC
从药物结构上来看，PROTAC 是一种异双功能的小分子或多肽化合物，通过连接子将靶蛋白结合配体与E3泛素连接酶配体连接而成[1]。
PROTAC技术的原理其实并不复杂。该技术利用了细胞内的“清洁工”——泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS），UPS可以帮助清理细胞中变性、变异或有害的蛋白质。从作用机制上来看，PROTAC技术通过化学键将靶蛋白和UPS中寻找底物蛋白的E3泛素连接酶连接起来，从而形成“靶蛋白-PROTAC-E3泛素连接酶”三元复合物，继而给靶蛋白标记上泛素标签，最终利用UPS降解靶蛋白（图 1）[2]。
图1. PROTAC靶向蛋白的降解过程[3]
注：POI，目标蛋白；E3 complex，E3 泛素连接酶复合体；E3，E3泛素连接酶；E2，E2泛素结合酶；Ub，泛素
由此看来，PROTAC可以利用细胞自身的蛋白质破坏机制来去除特定致癌蛋白，是诱导蛋白降解技术的一种改进的、通用的平台技术。PROTAC 技术只需具备与靶蛋白结合的活性，而不需要直接抑制靶蛋白的功能活性，具有可靶向传统“不可成药”靶点的巨大优势[2]，这亦是其赢得肿瘤新药研发者青睐的关键所在。
PROTAC药物的发展史
众所周知，任何破坏内源性蛋白质调节机制，或降解特定蛋白质的药物干预都需要高度精密的设计来介导众多生物学过程，这是生命科学领域面临的一个重大挑战。人类在定义、理解和克服这些挑战并成功利用药物降解蛋白质的过程花费了20多年的时间。
· 2001年, PROTAC技术的先驱之一、耶鲁大学化学生物学家 Craig Crews教授课题组首次报道了第一个基于肽类的PROTAC分子1（图2）， 实现了对甲硫氨酸氨肽酶 2（MetAP-2) 的靶向降解[4]。
· 在过去的十几年中，由于缺乏高亲和性、特异性的E3泛素连接酶小分子配体，设计合成的PROTAC分子都是多肽类化合物，很难穿透细胞膜，降解靶蛋白的效果不佳，限制了PROTAC的应用。近几年，随着E3泛素连接酶（包括MDM2、cIAP1、CRBN 和VHL）小分子配体的不断发现，让PROTAC技术取得了巨大的突破。
· 其中，在2008年，Crews教授课题组设计合成了第一个基于小分子的PROTAC分子2（图2）, 实现了对雄激素受体（AR）的靶向降解[5]，从而开启了小分子PROTAC 发展的新时代。
图2. PROTAC分子1和PROTAC分子2的结构
自从首个关于PROTAC分子的研究发布之后，这一技术吸引了药物化学家和国内外医药公司的广泛关注，基于各种靶点的PROTAC分子层出不穷（图3），并且不断有分子进入到临床前和临床期新药研发阶段。此外，多个研究小组利用PROTAC实现了对多种癌症相关蛋白的降解，PROTAC成为了抗肿瘤药物研发领域的热点之一，有望在抗肿瘤靶向药物研究方面实现新的突破。 
图3. 自2001年以来涌现出的不同类型PROTAC[6]
PROTAC成为小分子药物研发大杀器，进军乳腺癌治疗领域
乳腺癌是全球第一大恶性肿瘤，其中约70%为雌激素受体（ER）阳性乳腺癌，因此ER是乳腺癌药物研究中的一个重要靶点，世界各地的研究人员针对该靶点进行了长期探索，设计合成了一系列的PROTAC分子。
· 2011年, Itoh等[7]采用雌酮作为靶向ER的配体, 采用苯丁抑制素作为E3泛素连接酶的配体, 得到了首个基于小分子合成的PROTAC分子5 （图4）。这是首次成功使用小分子PROTAC靶向作用于ER并诱导ER的泛素化及降解。
· 2012年, Demizu等[8]设计合成了一系列PROTAC分子, 该类分子采用4-羟基他莫昔芬作为靶向ER的配体, 同样采用苯丁抑制素作为E3泛素连接酶的配体。随后, Okuhira等[9,10]对其中一个化合物6进行了更系统的研究，发现PROTAC分子6不仅能够降解 MCF-7细胞中的ERα蛋白，还能导致E3泛素连接酶 cIAP1 自身的泛素化及降解, 并诱导 MCF-7 细胞出现由于活性氧增加而导致的细胞坏死。
· 2019年, Hu 等[11]设计合成了一系列靶向降解ER的PROTAC分子。通过对组成PROTAC分子的三部分结构进行大量系统优化，最终成功得到PROTAC分子7（图4）。同年, Kargbo 等[12]设计合成了一系列 PROTAC 分子，其中化合物8在MCF-7细胞中对ER蛋白的半数最大降解浓度为 0.3nmol/L。
图4. PROTAC分子5-8的结构
· 2019 年，由PROTAC先驱Craig Crews教授创办的Arvinas 公司宣布靶向ER降解的PROTAC药物ARV-471 进入Ⅰ期临床研究, 其临床前结果显示 ARV-471能够在多种 ER 依赖性乳腺癌模型中显著抑制肿瘤的生长，根据Ⅰ期临床研究初步数据，ARV-471展现了抗肿瘤活性以及良好的安全性。这是乳腺癌领域中第一个进入临床期研发阶段的PROTAC药物。
图5. ARV-471的结构（首次公布于AACR 2021）
· ARV-471在ER+/HER2-局部晚期或转移性乳腺癌患者中进行的首次人体研究的安全性和疗效数据发布于SABCS 2021[13]。截至2021年9月30日，60例患者接受了ARV-471单药剂量递增治疗：每日剂量为30mg（n=3）、60mg（n=3）、120mg（n=7）、180/200mg（n=11）、360mg（n=15）、500mg（n=17）和700mg（n=4）。最大耐受剂量并未达到，且未观察到剂量限制性毒性。对每日服用30-500mg的患者进行的14对活检分析表明，在表达野生型或突变型ER的肿瘤中，ER降解率最高可达89%，中位及平均值分别为67%和64%。在47例可评价患者中，临床获益率达到40%。
随着对乳腺癌药物研发的不断深入探索，除了ER之外，研究者还基于人类表皮生长因子受体-2（HER-2）、细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK） 等乳腺癌相关靶点设计合成 PROTAC分子，这些PROTAC分子在未来具备广阔的应用前景。
PROTAC药物肿瘤治疗序幕拉开，未来将至
近20年来，PROTAC技术发展迅速，越来越多的癌症相关蛋白通过该技术被成功降解。随着越来越多的 E3 泛素连接酶小分子配体的发现和针对 PROTAC 药物构效关系研究的开展，PROTAC有望成为继小分子抑制剂、单克隆抗体之后又一重要的肿瘤治疗手段。希望未来PROTAC药物可以为乳腺癌及其他肿瘤治疗开辟出一个更为广阔的新天地。
[1] Maniaci C, Ciulli A. Bifunctional chemical probes inducing protein–protein interactions [J]. Curr Opin Chem Biol, 2019, 52: 145-156.
[2] Burslem GM, Crews CM. Proteolysis-targeting chimeras as therapeutics and tools for biological discovery [J]. Cell, 2020, 181: 102-114.
[3] Nalawansha DA, Crews CM. PROTACs: An Emerging Therapeutic Modality in Precision Medicine.Cell Chem Biol. 2020 Aug 20;27(8):998-1014.
[4] Sakamoto KM, Kim KB, Kumagai A, et al. PROTACs: chimeric molecules that target proteins to the Skp1-Cullin-F box complex for ubiquitination and degradation [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2001, 98: 8554-8559.
[5] Schneekloth AR, Pucheault M, Tae HS, et al. Targeted intracellular protein degradation induced by a small molecule: Enroute to chemical proteomics [J]. Bioorg Med Chem Lett, 2008,18: 5904-5908.
[6] Ocaña A, Pandiella A. Proteolysis targeting chimeras (PROTACs) in cancer therapy. J Exp Clin Cancer Res. 2020 Sep 15;39(1):189.
[7] Itoh Y, Kitaguchi R, Ishikawa M, et al. Design, synthesis and biological evaluation of nuclear receptor-degradation inducers [J]. Biorg Med Chem, 2011, 19: 6768-6778.
[8] Demizu Y, Okuhira K, Motoi H, et al. Design and synthesis of estrogen receptor degradation inducer based on a protein knock‐down strategy [J]. Bioorg Med Chem Lett, 2012, 22: 1793-1796.
[9] Okuhira K, Demizu Y, Hattori T, et al. Development of hybrid small molecules that induce degradation of estrogen receptor alpha and necrotic cell death in breast cancer cells [J]. Cancer Sci, 2013, 104: 1492-1498.
[10] Okuhira K, Demizu Y, Hattori T, et al. Molecular design, synthesis, and evaluation of SNIPER (ER) that induces proteasomal degradation of ERα [J]. Methods Mol Biol, 2016, 1366: 549-560.
[11] Hu J, Hu B, Wang M, et al. Discovery of ERD-308 as a highly potent proteolysis targeting chimera (PROTAC) degrader of estrogen receptor (ER) [J]. J Med Chem, 2019, 62: 1420-1442.
[12] Kargbo RB. PROTAC-mediated degradation of estrogen receptor in the treatment of cancer [J]. ACS Med Chem Lett, 2019, 10:1367-1369.
[13] Erika Hamilton, et al.First-in-human safety and activity of ARV-471, a novel PROTAC® estrogen receptor degrader, in ER+/HER2- locally advanced or metastatic breast cancer. 2021 SABCS Abstract PD13-08.
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GCMA编号：PP-UNP-CHN-0044
到期日期：2024年6月9日
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