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新闻中心 媒体报道

活动总结分子胶,继PROTAC之后新的曙光

时间:2021-09-08  作者:Frank Ye 和 Ethan Xu  来源:biospark

利用小分子化合物靶向降解蛋白质是药物研发领域的新兴策略,使很多传统方法难以靶向的药物靶点得以开发,开拓了新的靶点和药物蓝图。靶向降解蛋白质的策略除了近几年非常火热的PROTAC药物以外,分子胶(molecular glues)越来越受到关注。相比于PROTAC,分子胶在成药性和应用范围方面更具优势,国内外多家创业公司也相继成立。

在8月7日的活动上,我们邀请到上海科技大学仓勇教授,对分子胶在靶向降解蛋白质的应用进行详细的介绍和深度的分析,从技术发展背景、科学深度讲解、策略优势对比、国内外学术和公司发展动态等多方面展开讨论。


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 仓勇教授

上海科技大学研究员、Degron Therapeutics创始人


仓勇,现为上海科技大学生命科学与技术学院研究员,从事癌症免疫遗传学和蛋白泛素化调控方向的研究。其实验室利用分子生物学手段和细胞/小鼠模型来研究蛋白泛素化调控及其在发育和疾病生成中的作用, 同时也探索小分子化合物劫持泛素连接酶用于治疗癌症和调节免疫功能的机制。其创立的上海达歌生物医药有限公司致力于新型分子胶药物的发现和临床推进。仓勇获得复旦大学生物化学学士,爱因斯坦医学院分子遗传学博士,在哥伦比亚大学医学中心霍华德休斯实验室完成博士后,曾担任伯罕医学研究所助理教授和浙江大学生命科学研究院教授。



PROTAC技术能突破传统占位抑制(occupancy-based)小分子的局限

PROTAC相比传统小分子抑制剂的优势

PROTAC存在以下几方面的挑战

分子胶的发现

分子胶和PROTAC比较

仓勇和Degron Therapeutics


PROTAC(proteolysis-targeting chimera,蛋白降解靶向嵌合体)技术利用生物体内固有的泛素-蛋白酶体的降解途径来实现对靶蛋白的降解。PROTAC的概念在2001年左右被提出,其中主要的提出者包括耶鲁大学的Craig Crews教授,他也最早创办了以PROTAC技术为基础的公司Arvinas,最近辉瑞和Arvinas 也达成了24亿美金的合作。

 

PROTAC技术能突破传统

占位抑制(occupancy-based)小分子的局限

 

长期系统给药造成的耐药突变(原有小分子不再有效)

小分子抑制后导致蛋白代偿表达(compensatory target protein expression)

部分靶点无明显的药物口袋 

不可成药(undruggable)靶点,尤其是一些起支架作用和调控作用的蛋白

 

PROTAC本身实际上是一个杂合双功能小分子化合物,它能将靶蛋白和E3泛素连接酶拉近距离,E3将多个泛素与靶蛋白共价结合,激活泛素-蛋白酶体系统来逐步降解靶蛋白。为了实现靶蛋白降解,需要形成靶蛋白-PROTAC-E3连接酶三元复合物,因此PROTAC分子的三个组成部分也显而易见:靶蛋白的特异性配体、E3泛素连接酶的特异性配体、和链接子(linker),如图1所示。


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1. PROTAC化合物


PROTAC相比传统小分子抑制剂的优势

 

改变蛋白的新生降解过程而非占位抑制

直接抑制目标蛋白的催化和支架等功能

克服小分子耐药突变

能靶向部分不可成药的靶点

独特的靶点选择性和药代动力学表现

 

由于PROTAC需要涵盖三个组分,其分子量自然比较大。

 

PROTAC存在以下几方面的挑战

 

与药物化学的里宾斯基五规则(Lipinski’s  Rule of Five)不符

合成上存在一定挑战

体内代谢和有效性也有待进一步验证

        

PROTAC技术的产品在临床上最快的是Arvinas公司的,基本完成概念验证(POC),正在进行二期临床试验。目前很多PROTAC的公司设计和筛选PROTAC的分子,是通过基于对其三个组分库(靶蛋白的特异性配体、E3泛素链接酶的特异性配体、链接子)的拼接、筛选来寻找潜在的PROTAC分子。

PROTAC领域的公司除了Arvinas,还有KymeraC4VividionNurix等。

 

PROTAC不同的是,分子胶有分子量小很多,化学机构更简单,空间干扰少(relaxed steric interference)和成药性更好的特点。分子胶不是一个小的PROTAC,而是通过诱导或稳定(增强)E3泛素连接酶和靶蛋白之间的蛋白相互作用(相互作用需达到一定的稳定程度),来实现对靶蛋白的降解,有点像“双面胶”;在一些情况下,分子胶甚至不会单独和靶蛋白或者E3泛素连接酶有任何的作用。但毋庸置疑的是,分子胶无法像PROTAC那样通过对各组分的大规模筛选来实现,它的设计会比PROTAC难很多。

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2. 分子胶化合物


分子胶的发现

 

最早发现的分子胶化合物是一类具有免疫调节功能的小分子IMiDs (Immunomodulatory drugs),其代表性药物是新基公司(Celgene)的沙利度胺(Thalidomide)、来那度胺(Lenalidomide)和泊马度胺(Pomalidomide)。这几个分子都在作用机理不明时被FDA批准,用于治疗各类肿瘤。多年后的研究发现,这类化合物是分子胶(图2),他们通过CRBN(cereblon,CRL4泛素酶复合体的一个组成元素)结合,进一步募集了转录因子IKZF1/3,最终导致IKZF1/3的降解。科学家们还发现了这类IMiD的衍生物CC-885——它既可以结合CRBN,然后募集了转录终止因子(transcription termination factor)GSPT1,在CC-885的基础上做了结构活性关系(SAR)的改进,现在由并购了新基公司后的施贵宝公司(BMS)推进临床1期试验阶段的CC-90009正是基于CC-885的化合物。   

  

另一类化合物是Acryl sulfonamide类别的,主要的代表有Indisulam、 CQS和Tasisulam。这类化合物曾一度推进到三期临床试验阶段,但因效果不佳被终止研发。直到2017年发现,这类化合物通过结合DCAF15(DCAF15和DDB1结合,DDB1和CUL4结合)和RNA剪接因子(splicing factor) RBM39,并最终实现RBM39降解。由于癌细胞中DCAF15过度表达,因此Sulfonamide类化合物在一定的浓度下,可以通过靶向癌细胞的DCAF15从而降解必须基因(essential gene) RBM39,致使癌细胞凋亡。这类化合物是比较特殊的,他们对于DCAF15和RBM39各自都没有亲和性,它是真正意义上实现了一个“双面胶”的功能,仅在特定的环境下同时和两个蛋白共同结合。

 

在2020年,有三个实验室分别独立地发现了另一类分子胶化合物。这类化合物在结合CDK12的时候形成了一个界面,能再结合DDB1,诱导CDK12的底物Cyclin K的降解(图3)。


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3. 各类分子胶化合物



分子胶和PROTAC比较

 

值得一提的是,PROTAC的选择性很强,它也可以通过模块式(modular)的方式对其每一个组分进行筛选,所以很多的PROTAC公司的核心团队以化学家出身占多数。分子胶则不同,它无法用化学方法直接设计,它的设计挑战极大。迄今为止,多数的分子胶还是通过意外发现(serendipity)的方式被大家所发现和确认。


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4. 分子胶和PROTAC比较




仓勇和Degron Therapeutics

 

仓教授此前在Burnham、浙江大学以及现在上海科技大学的实验室,都是研究E3泛素连接酶的,尤其是CRL4 泛素连接酶对不同底物的泛素化来调控发育和疾病的机制。基于CRL4底物受体蛋白CRBN的研究,仓教授也着手对分子胶水化合物降解癌症相关蛋白降解的展开了探索。

 

CRBN中存在一个由三个Tryptophan形成的很浅的口袋,而这个口袋可以结合glutarimide(多数IMiD化合物都具备的一个结构),在IMiD化合物和这个口袋结合后,其突出的化学基团和CRBM结合口袋周围氨基酸残基,会共同组成一个新的结构界面(neomorphic CRBN-Glue surface) ,正是这个结构募集了IKZF1/3。基于这些想法,仓勇教授的团队合成了以glutarimide为核心的化合物库,通过生物表型筛选的方法来定向寻找潜在的其他分子胶化合物。

 

目前仓教授的团队筛选出来了一个能诱导WEE1降解的分子胶化合物。通过化学竞争(chemical competition)、热稳定性、细胞生物学等多种实验确认了该化合物的分子胶特性。相比之下,阿斯利康目前在临床试验阶段的WEE1抑制剂AZD1775除了能抑制WEE1还会抑制PLK1,特异性不优,或有潜在副作用。除了特异降解WEE1的分子胶之外,仓教授的团队陆续又找到了靶向癌症和代谢疾病相关蛋白的其他分子胶化合物。基于这些,2020年仓教授从上科大spin off创立了达歌生物(Degron Therapeutics),致力于分子胶水药物的发现。

 

仓教授认为,目前分子胶是比较难直接通过化学设计的方法实现的。与此同时,Degron Therapeutics也在做一些主动的尝试,希望通过对已知靶点(底物)的分子胶和底物探究,来拓展和加深对分子胶领域的理解。

 

致力于分子胶药物发现的公司还有Monte Rosa Therapeutics和Neomorph Therapeutics。


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问答精选

 

01 在分子胶药物发现的过程中,是否考虑到合成致死的相关机制?比如像WEE1的分子胶。

有考虑到合成致死相关的因素,因此WEE1抑制剂(或分子胶)也会考虑和很多化疗药物或靶向药物联用。

02 在分子胶或者PROTAC的靶向蛋白发生特定的突变,是否也会导致像小分子抑制剂一样因耐药而失效?

到目前为止,在临床试验阶段的PROTAC药物还没有看到它造成耐药突变。但在体外试验发现,如果E3泛素连接酶和相关调控蛋白发生了突变,会导致分子胶和PROTAC失效。需要强调的是,分子胶或者PROTAC和小分子抑制剂导致耐药的机理并不相同。

03 分子胶的可修改的空间小,是否会有一些限制和不足?

的确是这样。但这一方面说明传统的化学方法来设计分子胶不是最佳的方式;另一方面,也有一些在分子胶方面的改造是有据可循的。因此,现在也希望通过大数据的方式去尝试找到规律。

04 分子胶选择性低,如何做好临床前的评价?

对于基于CRBN的分子胶,可能需要在临床前实验中使用CRBN敲入的动物模型。

05 在可以靶向(druggable)的蛋白靶点,传统小分子抑制剂和分子胶孰优孰劣?

仓教授认为传统小分子和分子胶是一个互补的关系。比如一些传统小分子在长期使用后,患者体内产生相关耐药突变致使传统小分子不再有效,这种时候如果分子胶靶向的蛋白界面和传统小分子不同,就可以起到互补的作用——分子胶替代传统小分子的使用。

06 分子胶十分依赖于IMiD的靶向蛋白(底物)结构,未来如何扩张分子胶的多样性。

这要希望能找到像CRBN一样的非必须(non-essential)的E3泛素连接酶和与其结合的IMiD类的化合物。在这类E3泛素化酶里最好能有一个特别的口袋,在巧妙地结合分子胶的同时让残基形成一个新的结合界面(neomorphic surface),在这个特殊的界面上进一步做文章。

07 AI在分子胶上的应用?

目前是希望能够借助已有的分子胶和蛋白底物的信息,再通过AI大数据学习的方式来找寻相关的规律,但目前积累的信息还是比较有限的。 

 

【参考文献】

Dale B, Cheng M, Park KS, Kaniskan HÜ, Xiong Y, Jin J. (2021) Advancing targeted protein degradation for cancer therapy. Nat Rev Cancer, doi: 10.1038/s41568-021-00365-x.

Dong G, Ding Y, He S, Sheng C. (2021) Molecular Glues for Targeted Protein Degradation: From Serendipity to Rational Discovery. J Med Chem. 64(15):10606-10620. doi: 10.1021/acs.jmedchem.1c00895. 

 

转载:  BioSpark Group