近年來,核酸藥物發(fā)展迅猛,市場需求不斷增加,上市審批迅速,涵蓋心血管與代謝疾病、肝病、腫瘤等多個領(lǐng)域。截至目前,全球已有10余種核酸藥物獲批上市,不少核酸藥物正處于臨床試驗階段。核酸藥物有望成為繼小分子藥物、抗體藥物之后的第三類藥物(圖1)。
越來越多經(jīng)批準(zhǔn)的核酸療法證明了通過靶向體內(nèi)致病基因來治療疾病的潛力。通常,常規(guī)治療只產(chǎn)生短期治療效果,因為它們針對的是蛋白質(zhì)而不是疾病的根源,而核酸藥物則直接作用于致病的靶基因或靶mRNA,在基因水平上發(fā)揮治療疾病的作用。核酸藥物包括ASO、siRNA、Aptamer、miRNA、mRNA、saRNA、sgRNA、U1 snRNA等。核酸藥物具有治療效率高、毒性低、特異性強、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)點,顯示出其重要的醫(yī)學(xué)價值、生物科學(xué)等領(lǐng)域。
PROTAC(蛋白水解靶向嵌合體)是一種利用泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)降解靶蛋白的藥物開發(fā)技術(shù)。從結(jié)構(gòu)上看, PROTAC由三部分組成:E3泛素連接酶配體和靶蛋白配體,兩個活性配體通過專門設(shè)計的“Linker"結(jié)構(gòu)連接在一起,形成三元復(fù)合物。 PROTAC的靶蛋白配體與靶蛋白結(jié)合,E3泛素連接酶配體與胞內(nèi)E3泛素連接酶的底物結(jié)合區(qū)結(jié)合,從而通過泛素化靶蛋白,將靶蛋白“拉"到E3泛素連接酶上,使 UPS 系統(tǒng)能夠降解目標(biāo)蛋白(圖 2)。
過去20年來,研究人員基于肽和小分子設(shè)計了各種形式的PROTAC。然而,基于肽的PROTAC存在活性低和免疫原性等問題,極大地限制了其臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用。與多肽PROTAC相比,小分子PROTAC體積更小,更容易被人體吸收,成藥性更好,因此小分子PROTAC仍然是主流。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步,一些新型的PROTAC不斷出現(xiàn),基于核酸的PROTAC應(yīng)運而生。
RNA 結(jié)合蛋白 (RBP) 的功能缺陷是許多疾病的根源,而用常規(guī)藥物靶向 RBP 已被證明是困難的。 RBP 以動態(tài)、協(xié)調(diào)和序列選擇性的方式與 RNA 結(jié)合,形成核糖核蛋白 (RNP) 復(fù)合物,在 RNA 依賴性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。某些疾病是由 RBP 的基因變化引起的,影響了 RBP 與 RNA 的結(jié)合。
RNA-PROTAC 的新型嵌合結(jié)構(gòu)來靶向 RBP。 2021年,Jonathan Hall研究小組提出基于RNA的PROTACs的設(shè)計理念,作者成功構(gòu)建了靶向 RBP(RNA 結(jié)合蛋白)的 RNA-PROTAC。使用小 RNA 模擬物作為靶向基團,它們可以特異性結(jié)合 RBP RNA 結(jié)合位點。 PROTAC 泛素化 RBP,然后通過泛素蛋白酶體系統(tǒng)降解它們。作者對兩種 RBP(干細胞因子 LIN28 和剪接因子 RBFOX1)的降解進行了概念驗證,并展示了它們在癌細胞系中的用途。 RNA-PROTACs靶向Lin28蛋白,這是一種干細胞因子和癌蛋白,是多種疾病的潛在藥物靶點,具有很高的研究價值。
轉(zhuǎn)錄因子(TF)是治療包括癌癥在內(nèi)的疾病的一類重要治療靶點。由于TFS缺乏激酶或其他酶中常見的活性或變構(gòu)位點,傳統(tǒng)的小分子抑制劑很難與其結(jié)合。因此,轉(zhuǎn)錄因子一度被認為是“不可成藥"的靶點,存在難以逾越的技術(shù)瓶頸。哈佛大學(xué)Wenyi Wei教授和西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院Jian Jin教授報道了一種基于寡核苷酸鏈的“ TF-PROTAC ",它由DNA寡核苷酸和E3配體通過點擊反應(yīng)連接而成(圖4),并能選擇性地降解致病性TF。 TF-PROTAC 的選擇性取決于所使用的 DNA 寡核苷酸。
作者成功開發(fā)了兩個系列的基于VHL的TF-PROTAC:NF-κB-PROTAC(dNF-κB)和E2F-PROTAC(dE2F),分別有效降解細胞內(nèi)的內(nèi)源性p65和E2F1蛋白,并表現(xiàn)出優(yōu)異的抗-細胞增殖作用(圖5)。
2021 年,Crews 團隊還報道了靶向轉(zhuǎn)錄因子 (TF) 的寡核苷酸 PROTAC:oligoTRAFTAC(圖 6)。OligoTRAFTAC由與 TF 和 E3 泛素連接酶配體結(jié)合的寡核苷酸鏈組成。
蛋白質(zhì)印跡實驗表明,oligoTRAFTAC 成功降解了兩種致癌轉(zhuǎn)錄因子:c-Myc 和 brachyury。此外,作者發(fā)現(xiàn)oligoTRAFTACs可以成功降解脊索瘤細胞系的brachyury,并且在隨后的體內(nèi)斑馬魚模型實驗中也表現(xiàn)出良好的降解活性(圖7)。
適體是寡核苷酸(DNA 或 RNA)序列。寡核苷酸片段通常通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化(SELEX)體外篩選從核酸文庫中獲得。核酸接頭因其可以與多種目標(biāo)物質(zhì)以高特異性和選擇性結(jié)合而被廣泛應(yīng)用。 2021年,譚衛(wèi)紅課題組基于核酸適配體AS1411:ZL216設(shè)計了PROTAC(圖8)。
AS1411可以特異性靶向腫瘤細胞中高表達的核仁素受體,核仁素受體與其配體結(jié)合后被內(nèi)化。作者通過體外實驗證明PROTAC具有較高的水溶性和血清穩(wěn)定性。此外,作者發(fā)現(xiàn)ZL216促進乳腺癌細胞中核仁素受體-ZL216-VHL三元復(fù)合物的形成,并在體外和體內(nèi)有效誘導(dǎo)核仁素受體降解。隨后的細胞增殖和遷移實驗表明,ZL216還抑制乳腺癌細胞的增殖和遷移(圖9)。
PROTAC是一種很有前景的靶向蛋白質(zhì)降解策略。作為一種有效的靶向蛋白質(zhì)降解方法,PROTACs在催化性能、高選擇性、克服耐藥性、有效阻斷非成藥靶點等方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)小分子藥物。但PROTAC一般具有高分子量和高疏水性,其理化性質(zhì)很大程度上超過了“五法則"(RO5)。因此,傳統(tǒng)PROTAC的藥物開發(fā)往往受到其細胞膜通透性差、藥代動力學(xué)(PK)特性差以及缺乏腫瘤特異性靶向的限制。
為此,盛春泉課題組提出了Aptamer-PROTAC Conjugates(APCs)的設(shè)計理念。 APC 是通過可裂解的連接鏈將 PROTAC 靶向 BET 蛋白與適體 AS1411 (AS) 偶聯(lián)而獲得的(圖 10)。其中,核酸適體AS1411可以選擇性靶向腫瘤細胞表面高表達的核仁素受體。 AS本身對核仁素受體過表達的腫瘤具有良好的抑制活性,目前正在II期臨床試驗中進行評估。腫瘤細胞中谷胱甘肽含量豐富,因此連接鏈選擇可被谷胱甘肽(GSH)裂解的二硫鍵,可選擇性響應(yīng)腫瘤微環(huán)境,在連接鏈裂解后釋放活性BET降解劑。
圖 10. APC 的設(shè)計策略
與未修飾的BET PROTAC(PRO)相比,APC綴合物(APR)在McF-7細胞的小鼠異種移植模型中表現(xiàn)出改善的腫瘤靶向能力,從而增強BET蛋白的體內(nèi)降解和抗腫瘤效力。因此,APC策略為腫瘤特異性靶向PROTAC的開發(fā)提供了新的設(shè)計思路。
圖11 蛋白質(zhì)降解實驗及體內(nèi)成像、抗腫瘤實驗
適配體PROTACs Conjugates (APCs)的發(fā)展自提出以來可謂“驚天動地"。與傳統(tǒng)PROTAC相比,基于核酸的PROTAC提高了傳統(tǒng)小分子PROTAC的靶向性,在提高水溶性、膜通透性、腫瘤靶向性等方面發(fā)揮著重要作用。由于核酸藥物在體內(nèi)易被核酸酶水解,半衰期短,極大限制了其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。未來的研究方向應(yīng)集中于提高核酸藥物的穩(wěn)定性、延長半衰期、改善藥代動力學(xué)性質(zhì)、解決核酸藥物遞送問題。
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