Pomalidomide

关键词：分子胶水降解剂、模块化修饰 分子胶水降解剂（MGDs）具有巨大的临床潜力和商业价值。其药物发现技术正在发生范式的转变，由偶然发现走向合理设计。 MGDs 的理想发现策略大致集中在两个方面：聚焦在 E3 连接酶配体、靶蛋白配体的修饰。 近日（Sep. 20），Drug Discovery Today 在线讨论了基于 E3 连接酶配体和靶蛋白配体的模块化修饰策略，进而合理性设计、发现分子胶水降解剂。 一、分子胶降解剂及其研发现状 1.1 靶向蛋白降解（TPD) 靶向蛋白降解（TPD）是一种革新的治疗策略，主要整合了两种内源性降解途径：泛素蛋白酶体系统降解（UPS）、溶酶体系统降解。 其中，利用基于 UPS 系统的靶向蛋白水解嵌合体（PROTACs）和分子胶降解剂（MGDs）是临床研究进展最为显著的药物模式。 传统小分子药物基于占据明确的活性位点，然而 80% 的疾病相关蛋白缺少这样的可药物口袋。PROTACs 和 MGDs 促进 E3 连接酶与靶蛋白形成三元复合物，随后泛素化、并利用蛋白酶体降解靶蛋白。 PROTACs 靶向靶标的非功能活性口袋，MGDs 重塑 E3 连接酶或靶蛋白表面以诱导E3连接酶和靶蛋白之间相互作用，因此，PROTACs、MGDs 靶向蛋白，且不需要可药物口袋，可显著扩展疾病治疗的策略和途径。 1.2 PROTACs 与 MGDs的特点 PROTACs 是一种双功能分子，由三部分组成：靶蛋白结合配体、E3泛素连接酶招募基序、以及连接这两个功能域的可化学优化的连接子。 PROTACs 这种独特的模块化结构具有多种药理优势，包括：催化降解能力、持续的药理作用、以及克服耐药性的潜力。 然而，PROTACs 典型的高分子量对其药物特性产生了实质性的挑战，包括：细胞渗透性、口服生物利用度等，限制了它们的临床转化。 MGDs 是一种单价分子，通过不同于 PROTACs 的分子机制，利用 UPS 降解靶蛋白。 MGDs 分子量相对于 PROTACs 更低，具有更优的类药性，包括：膜渗透性、良好的药代动力学特征等。 MGDs 的范式机制已经阐明：通过单分子诱导 E3 连接酶与靶蛋白相互作用，包括，增强原有的弱相互作用、通过靶蛋白或 E3 连接酶的构象重塑诱导新的相互作用界面的形成。 然而，MGDs 的合理性设计具有挑战性，这归因于其分子机制的复杂性，难以利用单价小分子靶向，往往需要筛选策略发现。 1.3 临床中的 MGDs 鉴于结构、作用机制、靶标结合特性等的差异，MGDs 和 PROTACs 主要应用于不同的疾病领域。 PROTACs 药代动力学性质较弱，其模块化结构便于更新以解决肿瘤耐药问题，且往往基于已建立的靶标结合物，常用于肿瘤治疗领域。 至于 MGDs，除了用于肿瘤领域，其应用也扩展至中枢神经系统（CNS）、和慢性疾病领域，这归因于其改善的膜渗透性、和药物性，适合用于口服。 FDA 获批的免疫调节药物（IMiDs），如沙利度胺、来那度胺、泊马度胺等，在临床验证成功，验证了 MGDs 的概念，并刺激该领域的广泛发展。 然而，尚缺乏系统的 MGDs 发现框架以及合理的设计原则，这极大限制了临床阶段候选药物开发。 近期，基于高通量筛选（HTS）与人工智能（AI）驱动的药物发现的发展，正在实现 MGDs 从偶然发现向基于结构的合理设计的范式转变。 以下将系统地总结利用区块化学，合理发现 MGDs 的最新突破，特别是围绕着 E3 连接酶配体优化、和靶蛋白结合物修饰。 二、基于 E3 连接酶配体修饰 1991 年首次提出分子胶地概念，定义了小分子通过“粘合”调节蛋白质功能的机制，为 MGDs 奠定了理论基础。 2007 年一项里程碑式的发现，将生长素鉴定为首个天然 MGDs，其可稳定 SCFTIR1 E3 连接酶与 AUX/IAA 之间的三元复合物，并促进 AUX/IAA 降解。 2010 年一项研究发现，沙利度胺靶向 E3 连接酶 CRBN，揭示了 IMiDs 作为 MGDs 的潜在机制。 2014 年开创性的研表明，IMiDs 以 CRBN 依赖的方式降解 IKZF1/3，标志着 MGDs 的第一个系统性表征。 早期 MGDs 的发现多基于偶然，通常是在表型筛选之后的机制拆解中获得。后来发展了针对 CRBN、VHL 等特权 E3 连接酶的理性设计配体库，得以系统地识别新型底物特异性 MGDs。 2.1 基于 CRBN 配体 IMiDs 通过招募 CRBN 诱导降解 IKZF1/3，其中，来那度胺作为一种典型的 MGDs，由于其广泛的临床应用、多效降解能力、以及深刻的免疫调节作用，获得大量研究兴趣。 AI 与大数据整合加速了基于 CRBN 定向的 MGDs 的发展，实现了三元复合物的预测建模、降解剂的虚拟筛选、和降解效率的优化。 基于 CRBN 集中型配体库的高通量筛选，可用于成功发现具有 C2H2 锌指结构域和 RNA 识别基序（RRM）结构域的底物的新型 CRBN 招募降解剂。这两种结构域都通过如 β-发夹 G-环、或螺旋环的结构基序与 CRBN 相互作用。 最新的研究进展中，CRBN 定向靶向的 MGDs 通过结构导向的 IMiDs 衍生，显著扩展了可降解底物的范围。 其中，多通过系统地修饰 IMiDs 支架，以产生全面的 IMiDs 衍生库。由此产生了多个临床阶段的 MGDs，如上图。 创新筛选技术可进一步丰富 CRBN 可降解蛋白质组，如： （1）利用基因密码子扩展技术发现了已知 GDPT1 降解 CC-885（临床前） 新型作用底物 MNAT1、ETF1; （2）蛋白质组学交联技术表明，已知的选择性靶向 IKZF2 的 ZF2-3结构域的分子胶 DKY709（临床I期），还可以介导 FIZ1 降解。 （Ref：Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202505053，DOI: 10.1002/anie.202505053) （3）通过共晶结构和表型验证，使得 CRBN 依赖性降解剂的发现，如 DEG-779，靶向 IKZF2、CK1α。 （4）由 AI 加持的平台和 IMiDs 库筛选，也扩展了基于 CRBN 可作用的底物库，包括：BMS-986470，靶向WIZ/ZBTB7A（临床 I/II)；dWIZ-2，靶向dWIZ；TMX-4116，靶向CK1阿尔法；FL2-14，靶向 GSPT2；C5，靶向 BCL-2。 近期的研究也表明，CRBN 底物招募的偏好性，即，具有C2H2 型 ZF 转录因子的强烈倾向，包括：ASS1、 ZBED3、ZNF219、ZMYND8、和RNF166。此外，也证明了 CRBN 参与非 ZF 蛋白的能力，如 PPIL4、PDE6D。 利用计算机系统地挖掘也表明，CRBN 可降解的蛋白质组可行性底物普遍具有的可降解信号，既包括 β发夹，也有 螺旋G-环，详见文末往期分享。 从机制上将，MGDs 利用 CRBN 的结构可塑性，通过 C2H2 ZF 蛋白与暴露的 G 环基序和 RRM 结构域蛋白相互作用，改变 CRBN 的结合表明适应性，招募多种靶标。这些可塑性使 CRBN 能够为承载这些结构基序的先前不可药物的靶标形成新的界面。 2.2 基于 DCAF15 配体 通过表型筛选，芳基磺酰胺已经被确认为一类独特的 MGDs，通过选择性地招募 E3 连接酶 DCAF15 来降解剪接因子 RBM39，具有强大的抗肿瘤活性。 基于此偶然发现的临床相关的磺胺类药物包括 E7820（临床II期）、Indisulam、Tasisulam、CQS。 结构研究表明，这些偶然发现的化合物主要通过疏水相互作用稳定 DCAF15-RBM39 三元复合物，诱导 RBM39 的蛋白酶体降解。 基于 CRISPR-Cas9 基因筛选发现了 dCeMM1，这是一种 DCAF15 依赖性 RBM39 降解物，其中 DCAF15 是关键的招募靶点。 尽管基于这些化合物进行合理的设计可产生新的分子胶，如 ST-00937，它通过变构重塑 DCAF15 底物结合表面来促进 RBM39 泛素化，然后就基于 DCAF15 来发现 MGDs来讲，很大程度上仍然是偶然的。 或许基于 AI 的靶标预测和结构生物学工具的发展，可挖掘 DCAF15 偏好的分子胶，并重新设计具有高特异性的磺酰胺类似物。 2.3 基于 DDB1 配体 招募 DDB1/CDK12 的分子胶的发现表明， MGDs 从偶然发现到理性设计的转变的可行性。 基于临床数据挖掘，偶然发现了（R)-CR8，这是一种开创性的 MGD，它与 DDB1/CDK12 微弱结合，降解细胞周期蛋白 K。 晶体学结构研究表明，(R)-CR8 与 CDK12 的 ATP 口袋结合，其疏水性苯吡啶环与 DDB1 BPC结构域形成特异性接触，为周期蛋白 K 的募集创造了新的界面。 此外，为了建立系统的 MGDs 发现方法，通过一种可扩展的筛选平台，发现了三种新的周期蛋白 K 降解物，即 dCeMM2、dCeMM3、dCeMM4，且其 MGDs 分子胶靶标对为 DDB1/CDK12。 另外，通过表型化学遗传学筛选发现了 HQ461，通过结构优化，获得了降解效率更高的 HQ005。 也有研究发现 CDK12 抑制剂 SR-4835 居然具有 MGDs 作用，进一步扩大其化学空间，通过 SAR 研究，更是发现了 DS18、LL-K12-8 分子胶降解剂。 2.4 基于 VHL 配体 VHL 更广泛地用于 PROTACs 的模块化设计中，其在 MGD 中的应用尚未得到充分探索。 一种基于蛋白质微阵列筛选技术，结合 SPR验证，系统地鉴定了靶向半胱氨酸双加氧酶（CDO1）的基于 VHL 的 MGDs。 2.5 基于其它 E3 连接酶配体 当前 MGDs 的格局严重依赖于少数 E3 连接酶，其中基于 CRBN 的报道更是占了约80%，这种过度依赖面临两个挑战： （1）E3 连接酶集中性限制了可靶向途径； （2）CRBN 底物偏好性可能无法满足所有的治疗需。 为了克服这些限制，最近的努力主要采用两种平行的策略： （1）基于连接酶配体的扩展； （2）基于机制的革新。 其中，基于 E3 连接酶配体的系统性修饰更是被证明是合理发现 MGDs 的有效途径，如下图示例。 三、基于靶蛋白配体修饰 当前用于 MGDs 发展的 E3 连接酶有限，这是扩大可药物蛋白质组的主要障碍。而近期的研究表明，含 Cys 的 E3 连接酶通过共价靶向策略提供了一种独特的机制，可解决这一障碍。 利用活性 Cys 残基，E3 可通过共价修饰将惰性配体转化为有效 MGDs，并通过可调节的弹头化学实现多靶标降解，并扩大 E3 连接酶的多样性，超越传统的 CRBN/VHL 模式。 基于靶蛋白配体，主要是通过共价 E3 结合的合理弹头设计，新界面的结构引导的优化、以及 Cys 靶向 MGDs 平台探索。 3.1 增加化学手柄的策略 其中一种策略，通过已知的靶蛋白配体，增加 E3 连接酶 Cys 残基靶向性弹头化学手柄，进而将 POI 抑制剂改造为 MGDs。 3.2 降解尾部的修饰 3.3 亲电弹头的优化策略 3.4 其它策略 一种是基于氨基酸基序的降解剂（AATacs），该方法利用 HTS 和优化技术，将氨基酸部分直接偶联到小分子配体上，消除传统的的连接子，从而开发多靶点 MGDs。 这种策略通过再现 E3 连接酶识别的 N 端降解信号来模拟内源性降解，通过特定氨基酸实现精准靶向；而与 PROTACs 相比，通过降低分子量来简化了分子结构。 此外，另一种策略是基于疏水标签定向降解剂（HyDDT）：这些疏水片段如下图，它们可结合蛋白质表面，并模拟部分变性或错误折叠的蛋白质，通过蛋白酶体或溶酶体途径诱导蛋白降解。 这些方法扩展了靶向蛋白降解的工具箱，为传统的降解剂设计提供了多功能和高效替代方案。 这些基于区块化学的策略，已经成为模块化发现 MGDs 的一种变革方法，提供了可扩展的可降解底物库的系统途径，但也存在挑战，如： （1）E3 连接酶的局限性； （2）三元复合物复杂结构动力学的深层次的机制解析； （3）组织特异性 E3 连接酶表达谱； （4）内源性蛋白-蛋白相互作用（PPI）网络； （5）配体修饰的挑战，如选择性问题、共价弹头潜在毒性问题等。 四、MGDs 发现中的技术进步 MGDs 由偶然发现到合理性设计的范式转变，首先归功于两大技术的进步来推动的，即：HTS 技术、人工智能驱动平台。 其中 HTS 技术包括基于 PPI 的筛选技术、DEL、HTF/Alpha 亲和测定、蛋白质阵列、TRFRET等，以及表型筛选技术，如化学蛋白质组学、Picowell RAN-seq、高通量流式细胞术、基因敲除细胞存活筛选、变性蛋白印迹等。 五、总结与展望 加速 MGDs 的转化，策略主要包括： （1）通过结合多种筛选技术扩展 E3 连接酶及其相互作用底物； （2）通过 AI 平台结合 HTS 方法，预测 MGDs 三元复合物，诱导邻近并动态捕获底物泛素化； （3）通过加载共价化学手柄，合理扩展各种底物降解剂； （4）双重 PROTAC-MGD 机制，以覆盖不可药物靶标。 参考文献： DOI: 10.1016/j.drudis.2025.104480 声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！ 长按关注本公众号  粉丝群/投稿/授权/广告等 请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓