“未來(lái)幾年內，通過(guò)靶向基因組變異，醫生將能夠治愈阿爾茨海默病，帕金森，糖尿病，以及癌癥等一系列疾病。實(shí)際上我們現在已經(jīng)能夠想象，到了我們孫子這一輩，癌癥這一名詞對他們來(lái)說(shuō)會(huì )變得非常陌生。”

       2000年6月，克林頓總統在人類(lèi)基因組測序完成的新聞發(fā)布會(huì )中的發(fā)表了這樣一段講話(huà)。

       實(shí)際上當時(shí)基因組測序并沒(méi)有完成，但在2000年的時(shí)候主要工作已經(jīng)差不多完成了。當時(shí)有一些研究人員認為，在完成人基因組測序之后我們將能夠了解導致疾病產(chǎn)生的基因組變異，以及相關(guān)蛋白的信息。而這些信息能夠幫助我們找到治愈疾病的方法。

       在克林頓總統演講之后，18年已經(jīng)過(guò)去了，這些疾病依然沒(méi)有被治愈，而且可以說(shuō)我們治療這些疾病的手段依然非常有限。

       導致我們無(wú)法有效治療或者治愈這些疾病的原因非常多。深入理解這些疾病的生物學(xué)機制并不容易，這大概也是導致新藥研發(fā)失敗的一個(gè)障礙。

       除此之外，即使我們已經(jīng)找到了看似可行的藥物靶點(diǎn)，針對這些靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)藥物也并非易事。

       隨著(zhù)技術(shù)的不斷迭代，目前基因組測序的成本已經(jīng)非常低。我們似乎已經(jīng)能夠找到很多誘發(fā)疾病的一些驅動(dòng)基因，更好的理解癌癥的驅動(dòng)基因使我們研發(fā)出了一些成功的藥物，比如伊馬替尼，奧希替尼，olaparib。

       但更多的時(shí)候，限于目前技術(shù)水平，即使找到了驅動(dòng)基因，也無(wú)法針對這些靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)藥物。

       大部分傳統小分子藥物以及抗體藥物都是靶向蛋白質(zhì)類(lèi)的靶點(diǎn)。但實(shí)際上我們目前能夠通過(guò)藥物干預的這些靶點(diǎn)只占人體內蛋白的很小一部分，大約有80%-90%的蛋白是傳統的藥物研發(fā)手段無(wú)法進(jìn)行有效干預的。

       主要原因是很多這類(lèi)蛋白靶點(diǎn)缺乏能夠直接參與蛋白功能調節的結合腔。目前小分子藥物主要是通過(guò)與蛋白中所謂的活性結合腔結合，競爭性阻止內源性底物進(jìn)入結合腔，從而達到阻斷蛋白功能的目的 (當然也存在其他作用機制的藥物)。

       但問(wèn)題是這種藥物研發(fā)模式很難應用到缺乏相應結合腔的蛋白中。而且對于存在于細胞內部的蛋白，目前也很難開(kāi)發(fā)相應的抗體藥物。

       這樣的靶點(diǎn)確實(shí)非常多，比如細胞內的一些支架蛋白，轉錄因子，或者很多非酶類(lèi)的蛋白。

       我們一般把這類(lèi)目前無(wú)法通過(guò)傳統藥物研發(fā)手段干預的蛋白靶點(diǎn)叫做undruggable targets，也就是不具備成藥性的靶點(diǎn)。很多人不喜歡undruggable這個(gè)說(shuō)法，因為如果真的無(wú)法干預的話(huà)，也就沒(méi)有研究的必要了。但目前來(lái)講確實(shí)很難針對這些靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)藥物。

       關(guān)于undruggable targets，很多人的第一反應是KRAS

       但無(wú)論是對于生物技術(shù)公司，還是風(fēng)險投資機構來(lái)講，這些所謂的不可能成藥的靶點(diǎn)中卻蘊含著(zhù)無(wú)窮無(wú)盡的機會(huì )。在過(guò)去幾年間，制藥公司已經(jīng)在該領(lǐng)域投入了數億美金，來(lái)研發(fā)靶向這些靶點(diǎn)的藥物。

       這些制藥公司采取的策略多種多樣，很多是采用基于核酸類(lèi)藥物的技術(shù)，比如反義寡核苷酸 (antisense oligonucleotides, ASOs) 或者RNAi技術(shù)，以及最近幾年比較火的CRISPR技術(shù)。這些技術(shù)通過(guò)敲除或者敲減，都有可能達到調節胞內靶蛋白水平的目的。

       盡管這些技術(shù)在基礎研究中應用非常廣泛，但開(kāi)發(fā)成治療疾病的療法的過(guò)程中卻面臨著(zhù)重重阻礙，比如核酸類(lèi)藥物在血液中穩定性比較差，可能具有免疫原性，可能在腎 臟中聚集等等。最近幾年，該領(lǐng)域又有一項很有意思的技術(shù)變得流行起來(lái)：誘導蛋白降解技術(shù)。

       小分子誘導蛋白降解與核酸類(lèi)藥物、基因編輯、以及傳統的小分子藥物的作用機制有著(zhù)非常明顯的差異，誘導蛋白降解相比這些技術(shù)也有著(zhù)獨特的優(yōu)勢。

       誘導蛋白降解

       其實(shí)誘導蛋白降解也不是什么新概念，而且科研人員在很早之前就就已經(jīng)有了一些嘗試。

       熱休克蛋白90 (Hsp90) 能夠幫助蛋白正確折疊，Hsp90抑制劑在上世紀九十年代就已經(jīng)首次進(jìn)入了臨床研究。由于Hsp90能夠在一系列腫瘤細胞生存所需蛋白的穩定性維持中起到重要作用，因此很多科研人員認為Hsp90抑制劑有可能被應用于癌癥的治療。

       當時(shí)HSP90抑制劑的研究熱度很高，但很多抑制劑具有嚴重的肝**，HSP90抑制劑的研究也經(jīng)歷了很多挫折，到目前為止還沒(méi)有任何一款Hsp90抑制劑獲批上市。

       而且更重要的是，Hsp90能夠參與人體內一半以上激酶的穩定性調節，因此通過(guò)這種非特異性的方式來(lái)影響蛋白穩態(tài)，想要保證藥物達到足夠的安全性及有效性是非常不容易的。

       與Hsp90抑制劑這種非特異性的方式不同，選擇性雌激素受體降解藥物 ( SERDs) 以及選擇性雄激素受體降解藥物 (SARDs) 卻能夠實(shí)現特異性的靶蛋白的降解。

       但有意思的是，這些小分子化合物最初是在開(kāi)發(fā)蛋白功能的調節劑的過(guò)程中被發(fā)現的，一開(kāi)始并不是為了實(shí)現目標蛋白降解，只是后來(lái)無(wú)意中發(fā)現這些小分子能夠降解相關(guān)蛋白。

       類(lèi)似SERDs/SARDs的藥物還有一些，但是由于這些藥物的發(fā)現過(guò)程并不是基于理性設計，這種無(wú)意中發(fā)現的作用機制并不具有普適性，難以應用于其他靶點(diǎn)的藥物設計。

但在上世紀九十年代，Proteinex公司的科學(xué)家采用了一種非常有意思的方式來(lái)特異性地誘導蛋白降解。這種方式是基于細胞內的泛素-蛋白酶體系統。

       大部分蛋白的正常降解過(guò)程是通過(guò)細胞內的蛋白酶體完成的，泛素-蛋白酶體系統是真核細胞內大部分蛋白周轉以及錯誤折疊蛋白清除的主要機制。這些蛋白被E3泛素連接酶識別之后被泛素化，之后被轉運至蛋白酶體內降解成多個(gè)肽段。

       隨著(zhù)蛋白質(zhì)穩態(tài)研究的不斷深入，一些科學(xué)家也開(kāi)始嘗試利用泛素-蛋白酶體系統來(lái)實(shí)現靶蛋白的特異性降解。

       1999年，Proteinex公司的John Kenten團隊遞交了一項專(zhuān)利申請，以保護他們發(fā)現的能夠實(shí)現目標蛋白與泛素連接酶E3連接的雙功能分子。

       該雙功能分子包含泛素識別結構以及靶蛋白結合結構片段，使目標蛋白泛素化并且誘導其降解。專(zhuān)利第一頁(yè)的圖片就很清楚的描繪了該類(lèi)分子的作用機制 [1]。但Kenten當時(shí)的老板對這項新技術(shù)并不感興趣，Kenten之后也離開(kāi)了這家公司。

       也大概就是在那個(gè)時(shí)候，學(xué)術(shù)機構的科學(xué)家，包括耶魯的Craig Crews以及加州理工的Raymond Deshaies發(fā)表了肽類(lèi)的雙功能小分子，這些小分子能夠一定程度上誘導蛋白降解。他們把這類(lèi)小分子叫做PROTAC, Proteolysis-TArgeting Chimeras 。

       雖然第一代的PROTACs能夠誘導靶蛋白泛素化，但這些化合物的細胞水平活性很差。這大概是由于肽的跨越細胞膜能力太差導致的。這些化合物并不具備類(lèi)藥性，因此制藥公司對這些化合物并不感興趣。

       第二代的PROTACs很多是基于VHL的很短的氨基酸識別序列而設計的，并且一些化合物在結構中引入了細胞穿透肽序列。但這也算不上是什么突破性的進(jìn)展。這之后的幾年里該領(lǐng)域一直都沒(méi)什么人關(guān)注。

       對于藥物化學(xué)家而言，他們早已經(jīng)對小分子藥物的設計原則很熟悉。這樣的雙功能小分子并不符合之前藥物化學(xué)家對于小分子藥物的認知，想讓他們接受這種化合物設計并不容易。

       雖然基于肽的PROTACs證明了該項技術(shù)有一定的潛力，至少in vitro的試驗是有活性的。但很明顯，基于肽的PROTACs還是有很多劣勢，設計完全基于小分子配體的PROTACs才是當務(wù)之急。

       在2008年的時(shí)候，Crews組建了一個(gè)由化學(xué)家以及生物物理學(xué)家組成的團隊，試圖探索非肽類(lèi)的PROTACs。在那年末，他們找到了一個(gè)使用nutlin配體能夠募集E3泛素連接酶的小分子，但這個(gè)化合物的活性太弱，并不能開(kāi)發(fā)成藥物。隨后的幾年，他們又合成了幾百個(gè)小分子藥物，并且解析了很多蛋白晶體結構。

       對于Crews實(shí)驗室來(lái)說(shuō)，的挑戰的確是在于尋找合適的E3泛素連接酶配體。這并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)，找到這樣一個(gè)配體也意味著(zhù)要干擾多個(gè)蛋白組成的復合物的相互作用，這是一個(gè)歷史性的難題。

       在2009年，當時(shí)還是Crews實(shí)驗室的博士后的Alessio Ciulli開(kāi)始嘗試解決這個(gè)問(wèn)題，尋找合適的E3泛素連接酶小分子配體。而在Ciulli自己成立了自己的課題組之后，他依然在進(jìn)行這項研究。

       在2012年初的時(shí)候，他們終于找到了一個(gè)VHL的小分子配體，這是這個(gè)誘導蛋白降解領(lǐng)域非常關(guān)鍵的一次勝利。也就使在那年，他們報道了基于VHL小分子配體的HaloPROTACs。

       也就使在這時(shí)候，制藥公司開(kāi)始對誘導蛋白降解技術(shù)產(chǎn)生了興趣。GSK建立了自己的蛋白降解研究組，并開(kāi)始與Crews實(shí)驗室合作。

       在2015年的時(shí)候，兩項新發(fā)現掀起了蛋白降解領(lǐng)域的狂潮。Dana-Farber Cancer Institute的一名化學(xué)生物學(xué)家的Bradner發(fā)表了一項重要研究，利用沙利度胺來(lái)結合一種泛素連接酶cereblon 。幾乎是在同時(shí)，Crews實(shí)驗室發(fā)表了自己的蛋白降解小分子 。

       這是兩項in vivo的研究，也預示著(zhù)誘導蛋白降解時(shí)代的正式開(kāi)啟。而且此時(shí)這項技術(shù)也引起了投資機構的關(guān)注，這種有可能探索人類(lèi)80-90%的蛋白靶點(diǎn)的技術(shù)投資人肯定不會(huì )放過(guò)。

       Crews在這之后成立了一家公司Arvinas來(lái)進(jìn)行PROTACs技術(shù)的商業(yè)化。在2016年，Bradner 以及其他一些科學(xué)家成立了C4 Therapeutics。2017年Atlas投資的Kymera成立。

       這些公司很快與大型制藥公司建立了合作，默沙東，諾華，新基，GSK，武田，阿斯利康等一系列公司都開(kāi)始在該領(lǐng)域布局。

       隨著(zhù)大型制藥公司的入場(chǎng)，藥物化學(xué)家們也開(kāi)始重新思考小分子的藥物設計。這些小分子藥物并不遵守Lipinski類(lèi)藥五原則，比如誘導蛋白降解小分子的分子量太高，氫鍵的受體與供體太多。

       除了化合物的結構看起來(lái)不招人喜歡，這些蛋白降解劑與傳統的小分子藥物在靶標結合，選擇性，以及劑量等方面也存在明顯差異。

       對于PROTACs來(lái)說(shuō)，分子與靶標結合的緊密程度不是最重要的，最重要的是這些雙功能分子連接靶蛋白與E3泛素連接酶的速度。

       而且這類(lèi)小分子藥物只要能夠與靶蛋白產(chǎn)生相互作用即可，并不需要像傳統的藥物那樣進(jìn)入蛋白的結合腔并直接影響蛋白的功能。由于大約75%的蛋白缺乏傳統小分子抑制劑所需的活性位點(diǎn)，因此誘導蛋白降解技術(shù)相比傳統的小分子藥物研發(fā)模式有著(zhù)巨大的優(yōu)勢。

       而且目前也已經(jīng)有很多證據表明，相比傳統的小分子藥物，PROTACs對于選擇性的要求并沒(méi)有傳統的小分子藥物那么高。

       新藥研發(fā)人員通常希望小分子藥物只結合靶蛋白，減少對其他靶點(diǎn)的影響，從而降低小分子藥物的脫靶效應引起的毒副作用。但科學(xué)家們發(fā)現一些選擇性并不高的小分子抑制劑在做成PROTACs之后能夠選擇性地誘導靶蛋白降解。

       雖然目前報道的誘導蛋白降解的小分子化合物作用的靶標都是已知的靶點(diǎn)，Arvinas即將進(jìn)入臨床研究的藥物作用靶點(diǎn)也是很成熟的靶點(diǎn)，但毫無(wú)疑問(wèn)很多人非常相信這項技術(shù)的潛力。而且研究人員也在使用一系列的策略來(lái)尋找能夠結合難以應對靶標的小分子配體，比如利用基于NMR或者DNA編碼化合物庫的篩選方法來(lái)篩選能夠與靶標產(chǎn)生結合作用的先導化合物。

       其實(shí)無(wú)論是細胞水平試驗還是動(dòng)物模型試驗都已經(jīng)證明了PROTACs技術(shù)不僅僅會(huì )局限于一種化合工具，而將有比較大的可能性被開(kāi)發(fā)成為藥物研發(fā)的一種新方式。

基于PROTACs的獨特性質(zhì)，這項技術(shù)將可能使我們能夠探索更廣闊的藥物靶點(diǎn)空間，使我們有能力征服那些一直被認為是不具備成藥性的靶點(diǎn)。