近年來(lái)，蛋白質(zhì)靶向降解技術(shù)，尤其是通過(guò)蛋白質(zhì)降解靶向嵌合體（PROTACs，Proteolysis Targeting Chimeras）實(shí)現的靶向蛋白降解，展現出了巨大的治療潛力。PROTAC是一種能夠誘導目標蛋白降解的雙功能分子，它們由三個(gè)基本模塊組成：一個(gè)靶向特定蛋白質(zhì)的配體、一個(gè)與E3連接酶結合的配體，以及一個(gè)連接這兩者的“連接子”（linker）。通過(guò)這些組成部分，PROTAC可以誘導靶蛋白和E3連接酶形成三元復合物，從而引發(fā)目標蛋白的泛素化（ubiquitination），并最終導致蛋白質(zhì)通過(guò)26S蛋白酶體降解。
這篇綜述文章聚焦于E3連接酶配體化學(xué)的發(fā)展，特別是小分子E3配體的設計與合成。通過(guò)對這些配體的詳細介紹，文章為PROTAC領(lǐng)域的研究人員提供了設計與開(kāi)發(fā)新型蛋白質(zhì)降解劑的化學(xué)基礎。
E3連接酶的作用與潛力
E3連接酶是泛素-蛋白酶體系統（UPS，Ubiquitin-Proteasome System）中的關(guān)鍵酶類(lèi)，在靶向蛋白的選擇性降解中起著(zhù)決定性作用。UPS系統是細胞中主要的蛋白質(zhì)降解機制，其核心作用是通過(guò)E1激活酶、E2連接酶和E3連接酶的協(xié)調作用，將泛素分子連接到目標蛋白上，標記其進(jìn)行蛋白酶體降解。E3連接酶負責識別特定的底物蛋白，并將泛素轉移到蛋白質(zhì)的賴(lài)氨酸殘基上。這種特異性使得E3連接酶在靶向蛋白降解領(lǐng)域中占據了重要地位。
在人類(lèi)基因組中，已經(jīng)鑒定出600多種E3連接酶，它們通過(guò)特異性識別不同的底物來(lái)調控多種細胞過(guò)程。然而，盡管E3連接酶的種類(lèi)繁多，但當前用于PROTAC技術(shù)的大部分研究集中在少數幾種連接酶上，特別是cereblon（CRBN）、von Hippel–Lindau（VHL）和抑制性凋亡蛋白（IAP）等。這些E3連接酶具有較強的小分子結合能力，且其配體合成相對成熟，因而成為當前PROTAC設計的主要目標。
圖1.本綜述涵蓋的不同E3配體和主題
然而，未開(kāi)發(fā)的E3連接酶仍然擁有巨大的潛力。隨著(zhù)越來(lái)越多的小分子E3配體被發(fā)現，研究者們正試圖將PROTAC技術(shù)擴展到更多類(lèi)型的E3連接酶，以覆蓋更廣泛的靶蛋白。文章中提到，探索新型E3連接酶配體將有助于擴展PROTAC技術(shù)的應用范圍，并且通過(guò)更廣泛的配體庫，研究者們可以開(kāi)發(fā)出更加精準和特異的蛋白質(zhì)降解劑。
PROTAC技術(shù)的發(fā)展歷程
PROTAC技術(shù)的概念最早于2001年由Sakamoto等人提出，當時(shí)他們使用了一個(gè)與Skp1-cullin 1-F-box E3連接酶復合體相結合的磷酸肽配體，成功實(shí)現了靶標蛋白甲硫氨酸氨肽酶-2（MetAP-2）的降解。盡管這一概念證明了靶向蛋白降解的可行性，但早期的PROTACs大多是肽類(lèi)分子，其穿膜性較差，代謝穩定性低，因而未能進(jìn)入更廣泛的應用領(lǐng)域。
2008年，首 個(gè)基于小分子的PROTAC問(wèn)世，通過(guò)nutlin-3a衍生物成功劫持了MDM2 E3連接酶。這是PROTAC技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，因為小分子E3配體相較于肽類(lèi)分子具有更好的藥物代謝性質(zhì)，且合成更加簡(jiǎn)單。這一突破激發(fā)了人們對小分子E3連接酶配體的廣泛興趣。
在隨后的十多年中，隨著(zhù)越來(lái)越多的非肽類(lèi)E3配體的發(fā)現，PROTAC技術(shù)逐漸成熟。尤其是針對VHL和CRBN的配體的開(kāi)發(fā)，使這兩種E3連接酶成為當前研究的焦點(diǎn)?；?strong>PROTAC的蛋白降解技術(shù)不僅能夠靶向“不可成藥”的蛋白質(zhì)，還能夠通過(guò)選擇不同的E3連接酶實(shí)現組織或細胞類(lèi)型的特異性靶向。
圖2.新型CRBN結合支架的合成及其與示例性PROTAC 的結合
CRBN配體的化學(xué)設計
Cereblon（CRBN）最早因沙利度胺（thalidomide）而被人們關(guān)注。沙利度胺是一種曾經(jīng)廣泛用于鎮靜的藥物，后因其致畸性被市場(chǎng)禁用。然而，到了20世紀90年代，研究者們發(fā)現沙利度胺及其類(lèi)似物具有抗腫瘤和免疫調節的作用。其后來(lái)的研究表明，沙利度胺及其衍生物通過(guò)結合CRBN并招募其為E3連接酶發(fā)揮藥理作用。這個(gè)發(fā)現揭示了IMiD類(lèi)藥物（Immunomodulatory imide Drugs）的潛在應用，包括來(lái)那度胺（lenalidomide）和泊馬度胺（pomalidomide）。
在PROTAC設計中，IMiD類(lèi)配體被廣泛用于劫持CRBN連接酶以實(shí)現靶標蛋白的降解。研究者們通過(guò)一系列有機合成方法對這些配體進(jìn)行了結構修飾，以提高其穩定性和結合特異性。文章中詳細介紹了幾種關(guān)鍵的CRBN配體合成方法：
● 核親取代反應（SNAr）：這種反應可以通過(guò)在IMiD分子上引入不同的取代基，調控其與目標蛋白和CRBN的結合親和力。常見(jiàn)的取代位點(diǎn)包括4位和5位的氟化衍生物。
● 烷基化反應：通過(guò)烷基化修飾，研究者能夠提高CRBN配體的細胞膜穿透性，并優(yōu)化其與目標蛋白的相互作用。
● Mitsunobu反應：這種反應允許在分子末端引入特定的基團，使其能夠更好地結合目標蛋白。
這些化學(xué)修飾極大地拓展了CRBN配體在PROTAC設計中的應用，使得PROTACs不僅能夠靶向多種腫瘤相關(guān)蛋白，還能夠應用于自身免疫性疾病的治療。特別值得一提的是，CRBN配體的進(jìn)一步優(yōu)化正在推動(dòng)多種PROTAC藥物進(jìn)入臨床開(kāi)發(fā)階段，如ARV-110和ARV-471，分別用于治療前列腺癌和乳腺癌。
其他E3連接酶配體的化學(xué)策略
盡管CRBN和VHL是當前研究中最常見(jiàn)的E3連接酶，但其他E3連接酶的配體設計也同樣具有重要意義。文章詳細討論了針對其他E3連接酶的配體合成策略，包括：
● 金屬催化反應：如Heck反應和Sonogashira偶聯(lián)反應等，允許在E3配體上引入更復雜的結構修飾，從而提高其與目標蛋白的結合親和力。
● 氨基酸衍生化：通過(guò)使用天然或非天然氨基酸作為起始材料，研究者可以合成出具有不同功能基團的E3連接酶配體，從而實(shí)現特異性調控。
此外，文章還討論了羧胺衍生物和羧基化合物在PROTACs設計中的應用。這些化合物的引入有助于提高配體與靶標蛋白的結合穩定性，尤其是在涉及到長(cháng)鏈連接子的情況下，這些化學(xué)修飾顯得尤為重要。通過(guò)結合不同的合成路徑，研究者能夠靈活調整PROTAC的物理化學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)現更廣泛的應用。
PROTACs的應用前景
PROTAC技術(shù)的應用前景十分廣闊，尤其是在治療難以靶向的蛋白質(zhì)方面。例如，許多腫瘤相關(guān)蛋白由于結構復雜等原因難以被觸達，PROTAC技術(shù)很顯然給了我們一個(gè)新的解法。
參考文獻：
Chem Soc Rev. 2022 May 10;51(9):3487-3534. doi: 10.1039/d2cs00148a.
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