靶向蛋白降解的細胞機制及PROTAC組分的優(yōu)化策略和臨床現(xiàn)狀

近年來，蛋白降解靶向嵌合體（PROTACs）作為一種革命性技術嶄露頭角。本期將深入解析 PROTACs 技術的核心原理與作用機制，梳理其在分子設計優(yōu)化與臨床轉化中的最新突破與挑戰(zhàn)！

Section.01
靶向蛋白降解 (TPD) 的
細胞機制

靶向蛋白降解 (Targeted Protein Degradation, TPD) 是一類革命性治療策略，其核心在于利用細胞自身的蛋白降解系統(tǒng)精準清除致病蛋白。這一快速發(fā)展的領域涵蓋多種創(chuàng)新策略：如分子膠，PROTACs，溶酶體靶向嵌合體 (LYTACs)，抗體-PROTAC (AbTACs)。

這些技術共同拓寬了疾病治療的邊界，為攻克傳統(tǒng)藥物難以靶向的 "不可成藥" 蛋白提供了全新思路，在癌癥、神經(jīng)退行性疾病等領域展現(xiàn)出巨大潛力^[1][2]。
 
圖 1. 常見的靶蛋白降解技術^[1]。

在哺乳動物細胞中，蛋白質質量監(jiān)控主要依賴兩大 "清道夫" 系統(tǒng)：泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和溶酶體系統(tǒng)。

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)：精準"打標簽"

• 錯誤蛋白標記：通過 E1 泛素激活酶（消耗 ATP）→ E2 結合酶 → E3 連接酶的級聯(lián)反應，給錯誤折疊或損傷蛋白貼上 "泛素標簽"。
• 定向降解：帶有泛素標記的蛋白被 26S 蛋白酶體識別，像碎紙機般將其分解為短肽片段，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。（適用于短壽命蛋白的快速清除，如細胞周期調控因子）

 
​溶酶體系統(tǒng)：細胞自噬的消化中心

溶酶體通過兩大途徑 "大顯神通"：

• 內(nèi)吞-溶酶體途徑：細胞膜包裹細胞外物質形成內(nèi)吞體，與溶酶體融合后，在酸性環(huán)境和 60+ 水解酶作用下徹底降解 (如清除病原體)。
• 自噬-溶酶體途徑：細胞自建 "回收袋"(自噬體)，包裹受損細胞器或長壽命蛋白，與溶酶體融合后啟動降解程序 (饑餓時提供能量)。

圖 2. 泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和溶酶體系^[1]。

Section.02
PROTACs: 
如何精準"爆破"致病蛋白？

蛋白降解靶向嵌合體 (PROTACs) 是 PDT 的眾多策略中最受矚目的技術之一。與傳統(tǒng)小分子抑制劑不同，PROTACs 通過巧妙利用細胞固有的蛋白降解系統(tǒng)——泛素-蛋白酶體通路，實現(xiàn)致病蛋白的精準清除。這種 "借力打力" 的策略不僅為攻克傳統(tǒng) "不可成藥" 靶點開辟全新路徑，更為腫瘤、神經(jīng)退行性疾病等疑難病癥的治療帶來曙光^[1]。

結構三要素：靶向、連接、降解

• 靶蛋白配體：鎖定致病蛋白 (如癌癥驅動蛋白 BRD4) 的 "指紋識別區(qū)"；
• E3 連接酶配體：招募細胞內(nèi)的 "粉碎機工人" (如 VHL 或 CRBN 蛋白)；
• 連接子：精密調控的 "分子尺子"，優(yōu)化三元復合物空間構象。

 
作用機制：單個分子可循環(huán)降解多個靶蛋白

• 三體結合：PROTAC 通過化學連接子，將靶蛋白與 E3 連接酶拉近形成 "三明治結構"；
• 泛素標記：E3 連接酶激活 E2-泛素復合物，給靶蛋白貼上 "死亡標簽" (多聚泛素鏈)；
• 定向清除：蛋白酶體識別標簽，將靶蛋白分解為短肽片段；
• 循環(huán)再生：完成任務的 PROTAC 分子脫離，開啟下一輪降解 (1 個分子可摧毀數(shù)百個靶蛋白)^[3]。

圖 3. PROTAC 的組成以及作用機制^[3]。

PROTACs 與其他治療模式的比較^[3]。 
 

 
Section.03
PROTAC 組分的優(yōu)化策略

靶點選擇與配體設計

PROTAC 的降解效能并非依賴其與靶蛋白的 "強力綁定"，而是取決于其促成靶蛋白-E3 連接酶三元復合物形成的效率。

研究表明，以 Foretinib 為配體的 PROTAC 雖與靶激酶結合緊密，卻因三元復合物組裝效率低下導致降解范圍受限。此外，過高的結合親和力或共價作用可能導致 PROTAC 與靶蛋白形成 "分子級死鎖"，阻礙其從降解復合物中解離并參與下一輪催化循環(huán)，這種不可逆結合模式反而削弱了 PROTAC 的核心優(yōu)勢，使其退化為類似傳統(tǒng)抑制劑的 "單次作用劑"。

目前雖無類似“類藥五原則"的普適標準，但理想靶蛋白應具備^[4]：
① 致病性功能獲得 (如過表達、突變或定位異常，如致癌蛋白BRD4)；
② 存在配體結合口袋 (即使親和力較低，如 KRAS G12D 突變體)；
③ 表面存在可泛素化位點 (便于 E3 連接酶標記降解)；
④ 含蛋白酶體易處理的柔性區(qū)域 (如無序結構域)。

E3 泛素連接酶選擇

E3 連接酶可以說是 PROTAC 療效的隱形操盤手，比如靶向 KRAS (G12C) 突變體的 PROTAC，使用 CRBN 的配體完全無效，而改用 VHL 的 PROTAC 卻能高效降解！

綜合來說，E3 類型、配體結構、連接鏈設計、靶蛋白大小及亞細胞定位等共同決定成敗。

• 結構互補性：E3 連接酶與靶蛋白的 "分子握手"契合度；
• 三元復合物協(xié)同性：PROTAC 能否穩(wěn)定 "夾住" 兩者形成高效降解復合體；
• 時空匹配度：E3 與靶蛋白的亞細胞定位及組織表達特異性 (如腫瘤中高表達的 E3)。​除了 CRBN、

 
VHL 等經(jīng)典角色之外，E3 連接酶家族正迎來一批潛力新秀——RNF4、RNF114、KEAP1、FEM1B，它們?nèi)缤�細胞�?nèi)的 "蛋白清潔工"，可被 PROTAC 激活后精準標記并清除致病蛋白。

得益于 AlphaFold 的 AI 技術，科學家們正以極高的效率破解 E3 的 3D 結構，將靶點庫從個位數(shù)擴容至 200+，甚至為特定腫瘤定制導航武器：例如利用肝癌中高表達的 KEAP1 設計 "腫瘤定位導彈"。然而，挑戰(zhàn)依然艱巨——部分 E3 像加密保險箱 (如 VHL 需特定信號激活)，解鎖難度拉滿。
 
圖 4. 用于潛在 PROTAC 應用的專用 E3 連接酶^[6]。

連接子的選擇^[7][8]

連接子長度通常設計在 10-20 個原子的 "黃金區(qū)間" ——最新研究揭示其與降解活性呈特征性 L 型關系：過短時，靶蛋白與 E3 連接酶如同 "擁擠電梯" 般發(fā)生空間碰撞；過長時，分子鏈的熵效應又會讓兩者 "形同陌路"，二者皆導致降解效力斷崖式下降。因此，PROTAC 開發(fā)常以稍長連接子為起點，通過 "毫米級" 原子增減進行精細校準。這段納米尺度的 "分子鉸鏈" 不僅調控著靶蛋白結合口袋的精準對接，更通過疏水性、電荷分布等參數(shù)，暗中支配整個分子的溶解性、膜穿透性等關鍵性質，堪稱降解劑設計中 "牽一發(fā)而動全身" 的核心變量。不同連接子的結構和特征可參考過往推文“PROTAC——模塊化構建藥物分子的未來”。

Section.04
PROTACs 的臨床現(xiàn)狀

PROTACs 的治療潛力正迅速轉化為臨床應用，目前已有多個候選藥物進入臨床試驗階段，用于靶向治療癌癥、自身免疫性疾病和神經(jīng)退行性疾病。其中大多數(shù)采用口服給藥方式，并利用基于 CRBN 的 E3 連接酶招募策略。

處于臨床試驗階段的代表性 PROTACs^[9][10]。  
 

 
PROTAC 技術挑戰(zhàn)：鉤狀效應

在超過其最大活性濃度時，兩種化合物都表現(xiàn)出一種靶標降解減弱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為“鉤狀效應”。

PROTAC 介導的三元復合物形成遵循鐘形濃度響應曲線：高濃度時 (1-10 μM)，非功能性二元復合物 (PROTAC-靶蛋白或 PROTAC-E3 連接酶) 競爭性抑制功能性三元復合物 (靶蛋白-PROTAC-E3 連接酶)，導致降解效率下降。

研究表明，增強蛋白互作 (PPI) 正協(xié)同性可緩解此現(xiàn)象：BTK 靶向 PROTAC MT-802 通過穩(wěn)定三元復合物，在 2.5 μM 以下濃度未觀測到鉤狀效應。大環(huán)化策略創(chuàng)新性利用構象限制強化協(xié)同結合，使三元復合物能量上更占優(yōu)——相較于線性類似物 MZ1，大環(huán) PROTAC 展現(xiàn)出更強的降解效力與靶標選擇性。這說明三元復合物的識別機制對 PROTAC 設計非常重要，需要結合結構生物學等方法進一步研究^[13][14]。
 
圖 5. 降解劑 4 與 5 對 hCAII 的劑量依賴性降解作用^[14]。

MCE 的一體化 PROTAC 平臺

MCE 能夠提供 PROTAC 相關產(chǎn)品 (Ligand for E3 Ligase; PROTAC Linker; Ligand for Target Protein for PROTAC; E3 Ligase Ligand-Linker Conjugate; Target Protein Ligand-Linker Conjugate; PROTAC; SNIPER; PROTAC-Linker Conjugate for PAC) 的設計、合成、分析、純化、優(yōu)化、檢測和評估等一站式服務。
 

產(chǎn)品推薦

dBET6 (HY-112588) 具有口服活性的，靶向 BET 的 PROTAC, 可用于白血病研究。

Vepdegestrant (HY-138642) 具有口服活性的、靶向 ER (雌激素受體) 的 PROTAC，可用于乳腺癌研究。

DT2216 (HY-130604) 選擇性的、靶向 BCL-XL 的 PROTAC，可用于卵巢癌研究。

SD-36 (HY-129602) 選擇性的、靶向 STAT3 的 PROTAC，可用于淋巴癌的研究。

Cyclosporin A (HY-B0579) 一種抑制 PP2B/calcineurin 的分子膠 (Molecular Glue)。

AUTAC4 (HY-134640) 一種 AUTAC，誘導 K63 連接的多泛素化。

 

[1] Tianyi Zhang, et al. Comput Struct Biotechnol J. 2022 Sep 28:20:5477-5489.
[2] Lin Zhao, et al. Signal Transduct Target Ther. 2022 Apr 4;7(1):113.
[3] Xiuyun Sun, et al. Signal Transduct Target Ther. 2019 Dec 24:4:64.
[4] Siqi Wang, et al. Pharmaceuticals (Basel). 2024 Jan 11;17(1):100.
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[6] Miklós Békés, et al. Nat Rev Drug Discov. 2022 Mar;21(3):181-200.
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