Indisulam

前言分享 分子胶降解剂（molecular glue degraders，MGDs）是一类小分子，它们通过促进 E3 连接酶与靶蛋白之间的相互作用，重新配置蛋白识别方式，从而触发由蛋白酶体介导的降解。迄今为止，MGDs的发现主要依赖偶然性——要么是在事后被认识到，要么是通过“干草堆里找针”式的筛选获得——但系统化的发现策略正开始逐步形成。 该篇文章提出了两条相互补充的发现路径。第一条路径将 MGDs 视为具有模块化特征——通常锚定于连接酶或靶蛋白之一——从而可以将化学搜索空间有偏向地聚焦于这种“锚定”特性。第二条路径源于生物学本身的启示：某些蛋白质组合在天然状态下更容易形成并被稳定的小分子诱导复合体。 01  星宸  从“偶然发现”到“理性设计” 沙利度胺最早在 20 世纪 50 年代上市，随后因其致畸性而被撤出市场；几十年后，它又以多发性骨髓瘤治疗药物的身份“回归”，甚至在具体作用机制尚未完全厘清之前就已经获批用于临床。经一系列研究后发现沙利度胺的直接结合伙伴是 Cullin-Ring 连接酶 4 复合体（CRL4）中的底物受体（CRBN），随后的工作进一步表明，沙利度胺并不是抑制 CRBN，而是赋予其“新功能活性，通过重塑 CRBN 的表面来招募新的底物蛋白。之后研究者又鉴定出另一种分子胶降解剂indisulam，这是一种处于临床前阶段的抗癌化合物，它通过稳定一个短 α-螺旋降解信号插入界面，将 RNA 结合基序蛋白 39（RBM39）“桥接”到 DDB1- 和 Cullin 相关因子 15（DCAF15）上。这一发现说明，沙利度胺并非机制上的“异类”，而是揭开了一个可反复出现的现象：小分子可以通过协同稳定新的蛋白–蛋白相互作用界面，对连接酶的底物谱进行“程序重写”。免疫调节药物（IMiDs）的临床成功进一步凸显了这一机制的变革潜力——其中一大亮点在于，它们实现了长期以来“用小分子失活转录因子”的药物研发目标。这也自然引出了下一个关键问题：如何系统性地发现具有类似活性的化合物，而不是仅靠“运气”偶然碰到？围绕这一问题，人们已经探索出多条路径。 1.“不可知/非预设”策略 基于表型的筛选仍然是发现有效分子的一条重要入口，这类筛选常常能得到具有活性的化合物，而这些化合物的“分子胶”机制往往是事后才被识别出来的。在明确了这一作用模式之后，研究者也开始设计更具针对性的筛选方法：即明确检测“降解活性”，但在筛选时对具体涉及的连接酶或靶蛋白不做预设假定。如，可以在遗传学或药物敏化背景下验证候选化合物是否依赖泛素–蛋白酶体系统。与此互补的策略是生物信息学挖掘：通过分析大规模细胞系面板中对化合物的敏感性模式，并将其与连接酶的表达谱或依赖性数据集进行关联，从而筛选出潜在的分子胶候选物。尽管这些方法具有重要价值，但也存在共同的局限性。已报道的命中率普遍较低（公开筛选中约为 0.1% 量级），多数检测依赖于细胞存活率读出，这主要偏向与发现对细胞至关重要的靶点；而要对命中化合物进行机制解析，需要大量的蛋白质组学、CRISPR 筛选及后续结构研究。化合物库的设计在很大程度上也限制了发现空间：传统小分子骨架主要被优化用于“口袋抑制”，而那些面向溶剂的取代位点——即对稳定蛋白–蛋白界面至关重要的区域——通常只做一些药代或溶解度方面的微调，很少被系统性多样化探索。综合来看，这些因素使得“不可知式”的筛选更像是在大海捞针：一旦成功收获的信息非常有价值，但要放大规模、系统推广仍然十分困难。 2.“连接酶优先”的策略 通过在 CRBN 上构建一个“复合识别表面”，这类化合物可以招募原本与小分子本身几乎没有亲和力的靶蛋白，最典型的“连接酶优先”案例是 CRBN：沙利度胺衍生物生动展示了如何从一个单一的连接酶配体出发，通过化学修饰实现底物谱的重定向。看上去最开始似乎只有很窄的一类底物——例如通过 β-发卡 G-loop 招募 IKZF1/3 和酪蛋白激酶 1α，经人们深入研究发现这一底物范围实际上可以被大幅拓展。从来那度胺、泊马度胺到大量新一代 CRBN 配体，这些连续问世的衍生物不断扩展着 CRBN 的“新底物”谱系，凸显出 CRBN 在底物重编程方面的巨大潜力。CRBN 介导底物招募的决定因素也被越来越精细地描绘出来。早期研究界定了以“可容受的 G-loop 甘氨酸”为核心的锌指“降解组，Słabicki 等人进一步利用包含全覆盖锌指结构域的报告系统库以及化合物类似物面板进行筛选，显示出 G-loop 两侧氨基酸残基以及小分子骨架的细微改动，如何精细调控降解结局 。在此基础上，Petzold 等人借助几何深度学习，在蛋白质组尺度上绘制了 CRBN 的新底物图谱，发现了包括螺旋结构在内的新型 degron 拓扑，并鉴定出一个完全不含 G-loop 的底物——VAV1（Vav 甲苯酸鸟嘌呤核苷酸交换因子 1）。这一发现打破了“CRBN 识别仅限于单一基序类型”的既有认识。与此同时，Annunziato 等人发现，GTP 酶激活蛋白结合蛋白 2（G3BP2）的降解甚至可以完全绕过传统 degron，而是利用 CRBN LON 结构域上的一个独特“热点”界面。这些工作共同将 CRBN 重新定义为一种具有高度多样识别能力的“连接酶支架”，其潜能远超早期认知。除了 degron 拓扑之外，构象动态同样影响降解结果：例如，一些底物（如 NIMA 相关激酶 7，NEK7）会稳定 CRBN 的部分开放构象；而新一代配体如 mezigdomide 则能够偏移 CRBN“传感环”的构象平衡，提示 CRBN 的 CULT–LON 结构域整体构象也在进一步调节底物选择。值得强调的是，被 CRBN 招募并不意味着一定会被降解：许多蛋白虽然被 CRBN 牵引过来，但其泛素化效率仍然不足以跨越“有效降解”的阈值。 药物化学优化可以改变这种平衡：在结构信息指导下，甚至通过单原子水平的修改，就能把这些“被招募但仍稳定”的蛋白转变为真正可降解的底物。IKZF2、WIZ以及 NEK7 就是典型案例，它们后续进入临床开发也说明，对连接酶结合药效团进行精细化修饰，确实可以实现对原本“难以降解”靶标的选择性降解。上述表明，新底物的可及范围在很大程度上不仅受制于生物学本身，也受到现有化学骨架的限制。这些研究将 CRBN 确立为“连接酶导向富集策略”的范例：从一个锚定配体出发，通过对其溶剂暴露位点进行适度修饰，就可以稳定多种几何构型的界面，赋予连接酶新的底物招募能力。多年来，CRBN 似乎是唯一具有如此高度可塑性的连接酶——直到近期研究发现，这一“逻辑”可以推广到其他 E3 连接酶家族。高质量的连接酶配体本身就是极具优势的起点，有望演化为“分子胶平台”：经适度修饰后，它们可以为连接酶表面赋予新的识别特征，从而让庞大的化学“草堆”更倾向于产生真正有效的“分子胶”。 目前看来，某些反复出现的特征似乎让特定连接酶家族更容易被“小分子劫持”。几何结构是关键因素之一：例如模块化的 CRL4 连接酶，其由 Cullin-4 与 DNA 损伤结合蛋白 1（CUL4–DDB1）组成的“摇摆臂”可以提供一个较大的泛素化工作区域，从而容忍一定程度上并不完美的空间对接。这种结构架构已多次被病原体利用——有多种病毒通过劫持 CRL4 来重定向其降解底物。化学性质同样可以创造“着力点”：例如 DCAF16、DCAF11 和 F-box 蛋白 22（FBXO22）等连接酶亚基富含成簇的半胱氨酸残基，似乎有利于被电亲性小分子共价捕获，因此在共价分子胶筛选中频繁出现。天然的“底物多样性”在某些情况下也可能是一种优势：例如为了蛋白质质量控制而进化的连接酶——如已被 TPD 验证的 TRIM21 或 RNF126——本身就会广泛“扫描”多类底物，这提示小分子有机会借此劫持其监视功能。 总之，这些几何特征、化学特征以及底物多样性特征，有助于解释为什么某些连接酶在分子胶筛选中反复“冒头”，也为未来优先探索哪些连接酶家族提供了参考线索。 3.“靶标优先”的策略 尽管连接酶端目前提供了最清晰的切入点，但在绝大多数药物发现领域，研究通常还是从“靶标”出发：即围绕一个经过验证的致病脆弱点来寻找化合物。与此不同的是，在分子胶降解剂领域，最早被识别出的靶蛋白往往并不是事先设定好的，而是在发现化合物之后，才通过机制解析“倒推”出来的。“靶标优先”策略是“连接酶优先”策略的有力补充：无论是非共价还是共价的方式，只要围绕溶剂暴露侧做适度修饰，就有机会将传统抑制剂转化为降解剂——前提是相关蛋白之间本身已经存在一定程度的潜在结构相容性。 图1 “以连接酶为锚定”与“以靶标为锚定”的分子胶降解剂 02  星宸  “天生适合被胶”的界面 1）拟态提供了一个生物学视角，说明分子胶如何“借用”自然界已经在使用的信号； 2）生物物理学给出了边界条件，帮助解释在什么情况下本来较弱的结构相容性可以被稳定下来； 3）基于以上两点，可以提炼出一系列“路标”——即一些可操作性的启发原则，帮助把概念真正转化为可发现的新分子。 1.拟态 在分子胶降解剂（MGDs）的案例中，一个反复出现的主题是：它们的活性很少依赖于凭空“创造”全新的识别界面。相反，大多数情况都可以被理解为某种形式的拟态：小分子在模仿生物系统本就用来调控蛋白命运的信号。 免疫调节药物（IMiDs）正是“借用了”这一天然识别模块： 分子中的戊内酰亚胺部分嵌入该口袋充当锚点； 邻苯二甲酰部分则朝外伸出，指向新底物。      从这个意义上来讲，IMiDs 实际上是天然 degron 的化学替身，通过这种方式重定向了 CRBN 的底物特异性。 无论是小分子，还是病原体，都是在利用连接酶表面固有的“可重编程性”——模块化的结构架构和具有“宽容度”的几何布局，使它们天然就适合被用来招募新的底物。除了模仿 degron 和翻译后修饰（PTMs）之外，有些分子胶则是在模仿底物与其天然互作伙伴之间使用的“互作模块”。 “拟态”不只是一个用来事后解释的框架，更是一个设计启发： 内源性 degron、 疾病相关突变、 病毒对连接酶的劫持模式、 以及其他蛋白–蛋白互作的拓扑结构，           都在暴露一类“天然就适合被重编程”的几何界面。 小分子则可以作为这些信号的化学替身，把原本微弱的结构相容性稳定成足以触发降解或重编程的有效识别事件。 2.交互规则 如果说“拟态”可以解释分子胶为什么能起作用，那么界面的物理性质则有助于说明它们具体如何发挥作用。现有证据表明，分子胶最常见的做法，是去稳定那些本来就存在、但非常微弱的结构相容性。在多个已解析的体系中——包括 CRBN–CK1α、DDB1–CDK12 和 DCAF15–RBM39——连接酶与底物本身就存在较弱的相互作用，其亲和力通常在微摩尔（µM）量级；而在加入分子胶之后，这种相互作用会被“放大”成纳摩尔（nM）级别的紧密复合物。在另一些体系中，例如 VHL–CDO1 或 CRBN–G3BP2，人们并未检测到可测量的二元互作亲和力，但一旦小分子提供了足够的协同作用，就可以观察到三元复合体的形成。这类微弱相容性能否被转化为“有产出的”识别事件，取决于其能量结构。天然蛋白–蛋白互作通常会把大部分结合自由能集中在少数“热点残基”上；它们周围则由一圈接触残基构成类似“O 型环（O-ring）”的结构，用以屏蔽溶剂并调节互作的稳健性。 经典的丙氨酸扫描研究（包括人体生长激素–其受体、Ras–Raf、PDZ–肽段以及抗体–抗原体系）确立了这一逻辑： 一旦突变热点残基，亲和力会显著下降； 而对外围残基的突变则往往更容易被系统容忍。 相比之下，由分子胶诱导形成的复合体通常缺乏这种“缓冲”结构。结构与突变研究显示，其稳定性往往依赖于由小分子定义的少数几个接触点；其中任何一个关键点发生单一氨基酸替换，都足以消除底物的招募。这种“脆弱性”已经通过深度突变谱分析得到验证。这有助于解释：为什么分子胶机制通常呈现出非常陡峭的构效关系（SAR）和很强的特异性，以及为什么是否能实现有效降解常常对细胞背景高度敏感。最近的研究还显示，小分子配体本身可以充当蛋白–蛋白互作的“人工 O 型环”：通过屏蔽溶剂环境，稳定连接酶与底物之间本来很脆弱的极性相互作用。 从多个体系的对比来看，有一种几何特征反复出现、格外醒目：“可被胶住”的位点往往表现为——一侧蛋白上有一个可被小分子占据的口袋，正对着另一侧蛋白上相对平整、缺乏明晰特征的表面。 在这种“口袋对平面”的基本框架下，三元复合体大致可以分为两种基本原型： 1）基序–结构域型组装（例如 CRBN–新底物、DCAF15–RBM39）埋藏的界面面积相对较小（约 500–900 Ų），高度依赖小分子的贡献。这有助于解释它们普遍表现出陡峭的构效关系，以及在 CRBN 体系中，底物重定向相对容易实现的原因 2）相反，“结构域–结构域”型组装（如 CDK12–DDB1、VHL–CDO1）埋藏的界面要大得多，互作主要由蛋白–蛋白接触主导，小分子更多扮演“辅助对接”的角色。这类体系通常呈现较为平缓的构效关系，底物范围也更窄。 这些比较提示：从沙利度胺类似物中总结出的经验并不能简单套用到所有可胶体系上；每一类界面都有其特定的协同逻辑，这也凸显了开展系统结构研究的必要性。 一个特殊变体来自共价“化学降解信号”。在这种情况下，电亲性“手柄”可以将连接酶与其伙伴蛋白共价连接，从而绕开部分非共价分子胶所依赖的协同要求。这可能解释了为什么某些电亲性基团可以在不同骨架间“移植使用”，在部分体系中表现得有点像“极简版 PROTAC 式 warhead”。 与此同时，这类共价策略在机制上呈现一个连续谱： 有些主要依赖“强制几何构型”（把两个蛋白硬性拉在一起）； 另一些（如 GNE011）则通过“模板辅助机制”发挥作用，其中共价反应活性是由既存的结构相容性所预激活的。 从结构层面界定：在哪些情况下，共价键可以替代或增强协同识别，将会为分子胶设计提供重要洞见。 综合不同体系的数据，目前比较支持一种“阈值模型”：只有当复合界面整体跨过某个最低能量门槛时，三元复合体组装才会变得高效。 这一视角也帮助我们把分子胶的一些共性串联起来： 那些构效关系陡峭、特异性高度可塑的体系，很可能就“卡”在能量阈值附近，微小变化就能左右成败； 那些构效关系平缓、特异性较为固定的体系，则往往已经远远“站在阈值线之上”，界面本身就比较稳定。 图2 拟态作为分子胶降解的统一性 3.可胶蓝图 目前已知的“可胶配对”会反复出现，这暗示：潜在的结构相容性可能比我们最初想象的要常见，而在一定条件下，小分子是有机会去“利用”它们的。已知的蛋白–蛋白互作提供了天然存在的亲和力基础，而内源性的连接酶–底物配对本身就已经与泛素化通路相连，因此构成了尤为清晰的切入点。 其中许多体系由 degron开关来精细调控：识别可以通过极小的信号被打开或关闭，例如：羟基化、磷酸化、内源性小分子。生物体系本身就编码了大量“条件性界面”，通过不同信号来控制是否形成稳定互作；而在某些情况下，小分子有望替代这些天然信号，把本来短暂的识别事件稳定下来。如果能够系统性地绘制出这些弱或短暂的连接酶–底物接触——它们在传统互作组图谱中往往是“隐形”的——就有望为分子胶降解剂的发现提供一张非常实用的“蓝图”。 遗传学则提供了第二类“路标”。各种突变本身就是天然的扰动实验，往往会暴露出那些处于稳定性边缘的界面。哪怕只是单个氨基酸的改变，都可能暴露出某种潜在的结构相容性——这正是小分子有望转化为有效互作的那类界面。因此，突变景观本身极有可能是一座尚未被充分开发的分子胶资源宝库。 最后一类指南来自结构层面的“glueprints”。迄今解析的每一个分子胶三元结构，不仅仅是在解释某一个具体机制，它们还隐含着一整套识别语法：即小分子、连接酶和底物是如何被“缝合”成一个高效界面的。随着结构数据资源不断扩充，以及几何深度学习等计算工具开始系统挖掘这些结构，“哪些界面适合被胶住”这一问题将越来越多地由可归纳的原则来回答，而不再仅靠零散的经验。 03  星宸  展望 分子胶凸显了一个看似简单但影响深远的概念：小分子可以充当“化学翻译后修饰”或“化学突变”，它们重编程的是“识别关系”，而不只是单纯阻断活性。分子胶在蛋白表面“施加”的那些变化——比如多出一个氢键供体、新增一块疏水斑块、或者用来屏蔽某个热点位点——本质上与表面突变或磷酸化等修饰所能达到的效果非常相似。生物系统正是依赖这类极小幅度的扰动来微调整个互作网络，通过创造新的表位来重定向识别关系。从这个角度来看，分子胶或许并不是“偏离常规的异类”，而更像是自然界既有策略的“化学回声”；而这种理解框架，有望为系统性发现分子胶提供指导。 “可被胶住”的位点往往具有一种共同的几何特征：一侧蛋白上存在一个可被小分子占据的口袋，与之相对的是另一侧蛋白上一块浅浅的表面斑块；小分子可以锚定在口袋中，并稳定那块原本只具“边缘相容性”的接触区域。即便起初只有微摩尔级别的弱亲和力，也可以通过这种协同效应被“推”向稳定状态；而那些脆弱的极性相互作用，则可以借助疏水屏蔽得到强化。 生物学本身也留下了额外线索：对翻译后修饰、突变或病毒劫持模式的“拟态”揭示了可被分子胶借用的识别逻辑；而那些反复出现的遗传损伤则指向了一类连接酶，它们在底物重定向方面具有异常高的可塑性。 最后，已解析的结构同样是重要的路标：每一个分子胶三元结构都为我们留下了一张“胶图”，其中蕴含一套可转移的识别语法，原则上可以在其他体系中被重新调用。 综上所述，这些方向共同标志着研究重心的一次转变：从在“草堆里盲找针”，转向在蛋白识别体系中绘制并利用那些早已埋藏其间的潜在相容性。随着可用化学空间的拓展以及对生物学机制理解的加深，分子胶的发现有望愈发从“偶然撞见”走向“理性设计”——不是从零开始发明新的识别方式，而是抓住已经写进蛋白网络里的那些线索加以放大和利用。 参考文献: Zuzanna Kozicka. Clues for glues: from serendipity to nature’s blueprints in degrader discovery. 2025. @ 您的关注、分享与反馈，是我们星宸人前进的动力。 愿你在科学药研的路上，风光无限、持续耀眼。

点击蓝字 关注我们 鑫研微末 前言 从感染性疾病、肿瘤到神经退行性疾病和代谢性疾病，人类重大疾病的治疗最终都指向一个核心科学问题：药物在分子层面如何与其靶点相互作用并产生治疗效应。在药物研发的早期阶段，大量有效药物主要来源于偶然发现或经验性筛选。尽管这些策略在实践中取得了显著成功，但在相当长一段时间内，药物的分子作用机制往往并不清晰，这也在一定程度上限制了对疗效差异、耐药性以及不良反应的系统性理解。 随着分子生物学、化学和计算科学的发展，人们逐渐认识到，药物疗效并不仅取决于是否能够与靶点结合，更深层地取决于靶点的三维结构特征、构象状态及其动态调控机制。然而，这些关键信息长期难以获得。许多重要药物靶点具有高度的构象柔性，难以结晶，且其功能相关构象往往仅在特定条件下短暂存在。这使得即便在理性药物设计逐步发展的背景下，药物发现过程仍不可避免地依赖一定程度的经验判断与试错。 近年来，冷冻电镜（cryo-electron microscopy, cryo-EM）的快速发展正在改变这一局面。近期发表于Signal Transduction and Targeted Therapy 的综述文章 《Applications and prospects of cryo-EM in drug discovery》系统性地指出，随着直接电子探测器和图像处理算法的突破，冷冻电镜已实现分辨率的显著提升并进入原子级结构解析阶段，从而使其从传统结构生物学中的辅助技术，逐步发展为贯穿现代药物发现多个关键环节的重要结构平台。与依赖晶体结构的传统方法相比，冷冻电镜能够在近生理条件下解析大分子复合物和膜蛋白结构，为直接观察药物–靶点相互作用提供了新的可能。 1.冷冻电镜如何推动基于结构的药物设计 基于结构的药物设计已经成为现代药物研发的主流路径，其核心思想是以配体与靶蛋白三维结构之间的空间互补性为依据，开展理性的小分子药物发现与优化。其基本逻辑并不复杂：只有真正理解药物靶点的空间构象特征和潜在结合口袋，才能有针对性地设计并不断优化候选分子。一个典型的基于结构的药物设计流程通常包括靶蛋白结构解析、结合腔体识别、配体库构建、分子对接以及先导化合物的筛选与结构优化。随着计算化学和虚拟筛选技术的发展，这一策略能够在药物研发早期高效筛选大规模化合物库，在提高命中率的同时显著降低研发成本，因此逐步发展为当前最成熟、应用最广泛的药物设计模式之一。然而，基于结构的药物设计在实际应用中长期面临一个难以回避的结构瓶颈，即高质量三维结构信息的获取。过去数十年中，该领域所依赖的结构数据主要来自X 射线晶体学，该技术在解析可结晶蛋白方面具有无可替代的原子级分辨率，并成功支撑了多款经典药物的开发。但对于膜蛋白和大型蛋白复合物而言，晶体生长过程本身就极具挑战性；与此同时，这类靶点往往具有显著的构象异质性，难以被稳定锁定在单一状态中。结果是，许多在生理调控和疾病发生中至关重要的药物靶点，长期缺乏可用于理性设计的高分辨率结构信息，从而限制了基于结构的药物设计策略在更广泛靶点中的应用。 图1 冷冻电镜在基于结构的药物设计中的应用 冷冻电镜技术的快速发展为这一问题提供了新的解决思路，其在解析膜蛋白和高度动态蛋白体系方面展现出天然优势。冷冻电镜不依赖晶体生长过程，能够在近生理条件下直接解析大分子复合物的真实构象，使其在基于结构的药物设计中的应用价值日益凸显。以G 蛋白偶联受体为代表，这类受体不仅是细胞膜上最丰富的信号转导蛋白，同时也是约三分之一已上市药物的作用靶点。尽管部分受体结构已经通过晶体学获得，但其激活与信号转导过程涉及显著的构象变化，真正与药效直接相关的功能态往往难以通过晶体结构捕捉。相比之下，冷冻电镜能够稳定解析受体与配体及下游信号蛋白形成的复合物结构，为理解药物如何在分子层面实现激活或抑制提供了关键结构依据。在这一背景下，胰高血糖素样肽-1 受体小分子激动剂的开发成为冷冻电镜推动基于结构的药物设计的代表性案例之一。胰高血糖素样肽-1 受体属于 B 类 G 蛋白偶联受体，其激活能够促进胰岛 β 细胞增殖并增强胰岛素分泌，是治疗 2 型糖尿病和肥胖的重要药物靶点。尽管多种肽类类似物已成功应用于临床，但其给药方式主要依赖注射，限制了长期使用的便利性。为开发具有口服活性的非肽类小分子激动剂，研究者利用冷冻电镜解析了小分子与受体激活态复合物的结构，明确了配体的结合模式以及参与受体激活的关键氨基酸残基。这些结构信息不仅阐明了小分子激动剂的作用机制，也为先导化合物的进一步理性优化提供了直接指导。 2.冷冻电镜如何推动基于片段的药物发现 基于片段的药物发现是一种以低分子量片段为起点的先导化合物发现策略，其核心思路是通过筛选与靶蛋白产生弱相互作用的小分子片段，并在获得结构信息的基础上对这些片段进行连接和优化，从而逐步构建出具有更高亲和力和选择性的候选药物分子。与传统高通量筛选相比，该策略所需的化合物库规模较小，并且能够覆盖较浅甚至近乎平坦的蛋白结合口袋，因此在理论上具有较高的成功率。 然而，基于片段的药物发现对靶蛋白三维结构信息的依赖程度极高。无论是片段的筛选、定位还是后续的理性优化，都必须建立在高分辨率结构解析的基础之上。长期以来，这一策略主要依赖X 射线晶体学，但对于分子量较大或构象高度动态的靶点，获得高质量晶体结构往往十分困难，这在很大程度上限制了基于片段的药物发现的适用范围。 近年来，冷冻电镜已实现原子级分辨率，使其首次具备了解析小分子片段结合模式的能力。研究者以β-半乳糖苷酶和丙酮酸激酶同工酶 M2 等体系为模型，利用冷冻电镜解析了多个小分子片段与靶蛋白形成的复合物结构，清晰观察到片段在不同结合口袋中的构象以及活性位点的构象变化，证明了冷冻电镜可为片段优化提供直接的结构依据。 图2 冷冻电镜在基于片段的药物发现中的应用 3.冷冻电镜如何推动PROTAC 药物开发 传统小分子药物通常需要结合靶蛋白表面的活性位点或结合口袋才能发挥作用，但对于缺乏合适结合口袋的蛋白，这类策略往往无能为力。PROTAC（proteolysis-targeting chimera，蛋白降解靶向嵌合体）技术正是在这一背景下发展起来的一种全新药物开发思路。该策略并非抑制蛋白功能，而是通过招募细胞内的泛素-蛋白酶体系统，直接诱导靶蛋白降解，从而实现治疗目的。 典型的PROTAC 分子由三部分组成：靶蛋白配体、E3 泛素连接酶配体以及连接二者的连接臂。当 PROTAC 分子进入细胞后，可同时结合靶蛋白和 E3 泛素连接酶，将二者空间上拉近，促进靶蛋白被泛素化并最终由蛋白酶体降解。由于这一机制不依赖靶蛋白本身是否具有催化活性位点，PROTAC 在理论上能够覆盖一批传统小分子难以干预的“不可成药”靶点，同时还具备用量低、选择性高以及克服耐药性的潜在优势。PROTAC 分子的设计高度依赖结构信息，尤其是三元复合物的空间构象。冷冻电镜在解析此类多蛋白复合物方面展现出独特价值。经典 PROTAC 分子 MZ1 通过同时结合 E3 泛素连接酶 VHL 和肿瘤相关蛋白 BRD4，实现对 BRD4 的高效降解。基于该三元复合物的结构信息，研究者进一步开发出三价 PROTAC 分子，在显著提高降解效率的同时，也清楚地展示了结构指导在连接臂设计和构象稳定中的关键作用。 图3 冷冻电镜在蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）中的应用 冷冻电镜同样在揭示部分小分子“非典型”降解机制中发挥了重要作用。以抗肿瘤药物 indisulam 为例，结合 X 射线晶体学与冷冻电镜的结构研究表明，该分子通过促进特定 E3 泛素连接酶复合物与剪接相关蛋白RBM39 的相互作用，诱导后者降解。这一发现不仅重新定义了indisulam 的作用机制，也说明冷冻电镜在解析复杂降解复合体中的不可替代性。 随着PROTAC 技术的不断发展，其应用领域已逐步从肿瘤治疗扩展至神经退行性疾病、抗病毒和抗菌研究。在神经退行性疾病领域，Tau 蛋白和 α-突触核蛋白被认为是重要的潜在降解靶点；在抗病毒研究中，针对病毒关键蛋白的 PROTAC 分子已被证明具有可行性；而近期提出的 BacPROTAC 概念，则将蛋白降解策略拓展至细菌体系。相关冷冻电镜结构研究表明，精心设计的BacPROTAC 分子能够同时结合靶蛋白与细菌蛋白酶复合体，从而实现特异性蛋白降解。 总结 总体来看，从基于结构的药物设计、基于片段的先导化合物发现，到以靶向蛋白降解为核心的新型药物策略，冷冻电镜正在多个层面推动结构驱动的药物研发不断向前发展。其在近生理状态下解析膜蛋白、大分子复合物及动态构象的能力，使结构信息由以往的辅助参考逐步转变为药物设计与优化中的关键依据。也正因如此，越来越多研究和研发实践开始从具体靶点和真实问题出发，思考如何将冷冻电镜获得的结构信息真正转化为可落地的研发决策——这正是我司持续关注并深度参与的方向。随着成像分辨率、数据处理能力和应用经验的不断积累，冷冻电镜有望在未来药物研发体系中发挥更加核心而务实的作用。 联系我们 鑫研微末生物科技是一家提供冷冻电镜与AI技术的国际先进服务商，团队包含多位全球知名结构生物学家和AI专家，深耕冷冻电镜与AI领域，面向药企、AI for science科技企业、生物、医、药、化学、农业、动植物、能源电池、氢能、光伏材料、大分子材料、海洋生态等行业提供围绕结构解析和AI的综合服务。 鑫研微末可提供一站式、全流程、自动化、高通量、原子级分辨率的结构解析服务，包括制样、上镜、收数据、数据处理、高分辨结构解析、功能机制分析、学术设计咨询服务等。 鑫研微末CryoEM、CryoET技术达到世界先进水平，结合各类结构解析技术打造“高分辨+ 生物原位结构+分子动态信息+ 环境信息”的#全闭环AI+冷冻电镜原位动态环境结构解析平台#。 鑫研微末打造医学特色冷冻电镜技术中心，独家技术用冷冻电镜解决各类临床医学问题。 欢迎加入我们的冷冻电镜技术交流群，如果有结构解析需求，进群和咨询请添加微信。 鑫研微末 欢迎加入公司冷冻电镜技术讨论群 一起讨论 添加公司客服马老师微信，备注“加群” 期待与您交流！ Kong-Fu Zhu 为本文第一作者  Da-Ping Wang 和 Hua-Wei Zhang为本文通讯作者 原文链接：https://doi.org/10.1186/s40779-023-00446-y 更多文章细节，点击“阅读原文”，查看文章↓