蛋白降解技术盘点：LYTAC、ATAC、AbTAC、PROTAB、REULR、KineTAC、IFLD……

2024-04-19

蛋白降解靶向嵌合体

近年来，以PROTAC、分子胶为代表的细胞内靶向蛋白降解（intracellular targeted protein degradation, iTPD）技术已发展为小分子药物的重要新模式(图1a)。PROTAC技术最快的项目已经进入III期临床，多款新型分子胶也进入临床开发阶段。在iTPD技术如火如荼发展的同时，细胞外靶向蛋白降解（extracellular targeted protein degradation, eTPD）技术也取得多项重要进展。iTPD和eTPD相关机制细胞外蛋白质组由分泌蛋白和膜结合蛋白组成，由至少四分之一的人类基因组(4000-5000个基因)编码。除了靶蛋白所处的位置不同，iTPD和eTPD之间至少有三个显著的区别。首先，细胞通过两种主要途径“回收”蛋白质：蛋白酶体（通常被用于处理细胞内蛋白）和溶酶体途径（细胞外蛋白降解的典型途径）。iTPD几乎完全借助蛋白酶体途径，而eTPD则借助溶酶体途径。其次，iTPD和eTPD具有不同的动力学，使用不同的蛋白酶。iTPD更快，通常在几个小时之内，因为所有的成分都在细胞质溶胶中。相比之下，eTPD较慢，通常在6-48小时内进行，因为它涉及从膜到早期和晚期内体的囊泡运输，最终与溶酶体融合，蛋白质得以降解。表1 iTPD和eTPD的对比第三，由于找到能够成药的E3连接酶配体充满挑战，iTPD系统目前可用的E3连接酶非常有限，主要是CRBN和VHL。这两种连接酶在组织中广泛表达，这限制了组织选择性靶向。相比之下，eTPD已经使用了多种降解系统，这些系统具有更大的可选择性以及更好的组织靶向性。因此，eTPD代表了一种新兴的制药模式。近日，来自加州大学旧金山分校的两位科学家在Nature Reviews Drug Discovery杂志上发表了题为“Extracellular targeted protein degradation: an emerging modality for drug discovery”的综述文章，总结了eTPD领域的最新进展，对迄今为止开发的各种eTPD系统进行了分类，并讨论了它们的优势和未来的挑战。文章重点介绍了降解细胞外蛋白的6种不同途径：1、基于FcRn的eTPD——sweeping antibodies——新生儿Fc受体(FcRn)负责抗体的再循环（抗体被内化到核内体中，在到达溶酶体降解之前再将抗体送回细胞外）。Igawa及其合作者设计了一种 “sweeping antibodies”，利用FcRn以pH依赖的方式将靶蛋白递送到酸性内体中，释放靶蛋白，之后经过溶酶体途径降解(下图)。2020年，pH-switchable抗体的衍生物satralizumab（靶点IL-6R）被批准用于治疗视神经脊髓炎谱系障碍( 一种复发性中枢神经系统炎症性疾病)。这是首个获批的eTPD类抗体。此外，科学家们还在开发靶向C5a、PCSK9、CXCL10、RNase A和TNF等靶点的“sweeping antibodies”。2、利用基于聚糖的循环受体实现eTPD第二类eTPD利用基于聚糖的循环受体来实现膜结合和可溶性靶蛋白的降解，代表性技术包括LYTAC、MoDE、ATAC。——LYTAC——LYTAC是一种双功能分子，有两个结合域，一端是与细胞表面跨膜受体CI-M6PR（cation-independent mannose-6-phosphate receptor）结合的低聚糖肽（oligoglycopeptide）基团，另一端是一个与靶蛋白结合的抗体或小分子。这两个结合域通过一个化学linker连接起来。在质膜上形成的三聚CI-M6PR–LYTAC–靶蛋白复合物会被细胞膜“吞没”，形成一个运输囊泡。囊泡会将复合物运输到溶酶体中，之后靶蛋白被降解。LYTAC具有降解膜蛋白和可溶性蛋白的潜力，名为Lycia Therapeutics的公司正在推动该技术的临床转化。2023年10月，LYTAC技术先驱、斯坦福大学Carolyn R. Bertozzi教授（2022年诺贝尔化学奖得主）在Science杂志发表最新论文，揭示了LYTAC更详细的调控机制。研究人员发现，细胞表面CI-M6PR的很大一部分被内源性甘露糖6-磷酸(M6Ps)修饰的糖蛋白占据，意味着LYTAC无处可结合。通过抑制M6P的生物合成，细胞表面未被占用的受体的比例增加，进而CI-M6PR-LYTAC-靶蛋白复合物内化增加。科学家们认为，这些重要发现将为下一代LYTAC的设计提供指导，帮助LYTAC发展为更有效的治疗方法。（推荐阅读：最新Science：开发下一代LYTAC，这篇论文必须读一下！）。——MoDE、ATAC——去唾液酸糖蛋白受体（asialoglycoprotein receptor, ASGPR）是一种内吞细胞表面受体，主要在肝细胞上高表达(每个细胞多达500,000个拷贝)，在内源性蛋白被内化到肝细胞并降解的自然过程中发挥关键作用。此前，ASGPR已被用于RNAi疗法的开发，研究者们通过偶联ASGPR的靶向配体tri-GalNac到siRNA上，成功将siRNA递送到了肝脏中。最近，科学家们也报道了借助相同思路开发eTPD的新策略。例如，有研究团队将10个tri-GalNac拷贝偶联到靶蛋白结合抗体上，以降解多种靶蛋白（如EGFR）。不过，基于ASGPR的生物制剂类eTPD存在一个主要限制，即需要大量tri-GalNac修饰（每个抗体6到10次），这导致在体内被快速清除。利用ASGPR的双功能小分子eTPD技术也在发展，如MoDE（已被授权给Biohaven）、ATAC（ASGPR Targeting Chimeras，由Avilar Therapeutics开发）。其中，ATAC使用的高亲和力单齿ASGPR靶向部分比tri-GalNAc小三到四倍。由于ASGPR是一种肝脏特异性溶酶体靶向受体，因此，相比LYTAC（CI-M6PR在多种细胞中广泛表达），ATAC技术能够以限制细胞类型的方式降解胞外蛋白，有潜在的安全性优势。——Apt-LYTAC——最近也有研究小组报道了基于小适配体（8–25 kDa）的ASGPR衔接器，该技术被称为Apt-LYTAC。研究小组将tri-GalNac连接到可溶性生长因子PDGF和膜受体PTK7的适配体的5 '端，并证明，在HepG2细胞中，大约50%的标记PDGF在4小时内被降解。显微研究显示，结合PDGF的Apt-LYTAC可以被运送到溶酶体中。研究同时证明，利用Apt-LYTAC，HepG2细胞上的膜受体PTK7被降解了50%。3、基于跨膜E3连接酶的eTPD——AbTAC——除了细胞质中的600-700个E3链接酶（含RING结构域），还有30多个跨膜E3连接酶存在。该家族中的RNF43已被用于开发AbTAC（本质是一种双抗）。研究显示，AbTAC能够通过招募膜结合E3连接酶RNF43降解PD-L1（推荐阅读：新版PROTAC技术，成功降解PD-L1）。此外，也有研究表明，AbTAC可以降解EGFR。——PROTAB——2022年9月，来自基因泰克的科学家在Nature杂志报道了一种类似的PROTAB技术。作为概念验证，研究人员首先开发了靶向IGF1R的PROTAB。研究设计的PROTAB是一种双抗，结构一端靶向IGF1R，另一端靶向RNF43或ZNRF3（也是一种膜结合E3连接酶）的N端糖蛋白D（gD）。将该PROTAB加入表达RNF43或ZNRF3细胞中，细胞表面的IGF1R被有效降解。研究进一步评估了PROTAB技术的通用性，并证明该技术可以导致HER2、PD-L1显著降解。这些结果证明了PROTAB技术可有效降解多种热门细胞表面靶点。（推荐阅读：Nature：PROTAC之后，PROTAB来了）——REULR——2023年4月，来自斯坦福大学的科学家发布了一种基于纳米抗体（nanobody ，VHH）的降解工具箱，称为REULR（Receptor Elimination by E3 Ubiquitin Ligase Recruitment，具有双特异性VHH结构域）。具体来说，研究设计了针对5种跨膜E3连接酶（RNF128、RNF130、RNF167、RNF43和 ZNRF3）的纳米抗体，并证明这种双功能REULR分子可以通过诱导接近来加强跨膜E3连接酶与多种疾病相关靶受体(EGFR、EPOR和PD-1)的相互作用，从而在不同水平上有效清除靶受体。研究人员认为，VHH REULR尺寸更小，理论上具有肿瘤穿透的优势，但也更容易通过肾脏过滤被清除。目前，名为InDuPro的初创公司正在推动REULR技术的转化。4、基于细胞因子和生长因子循环受体的eTPD——KineTAC——许多细胞因子和白细胞介素可以通过其受体进入溶酶体并被降解。2022年9月，Katarina Pance等人在Nature Biotechnology杂志上发表研究成果，报道了一种利用诱饵循环受体CXCR7将细胞膜及细胞外靶蛋白运送至溶酶体实现降解的新型降解剂，即细胞因子受体靶向嵌合体（cytokine receptor-targeting chimera，KineTAC）技术。研究人员利用趋化因子CXCL12作为概念验证。CXCL12可以与诱饵受体CXCR7结合后内化。KineTAC一端为趋化因子CXCL12，另一端结合靶蛋白，复合物进入溶酶体后靶蛋白被降解。研究证实，KineTAC技术可以降解PD-L1、HER2、EGFR等膜蛋白以及可溶性蛋白VEGF和TNF-α。KineTAC平台通过利用一系列具有不同组织分布和水平的循环受体，扩展了eTPD的选择。（推荐阅读：KineTAC来了，降解细胞外蛋白有戏）5、基于整合素的eTPD——IFLD——2022年11月，来自中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队在Journal of the American Chemical Society杂志发文，报道了基于双功能化合物的新型整合素促进的蛋白质靶向降解策略（integrin-facilitated lysosomal degradation，IFLD）。将靶蛋白结合配体与整合素识别配体相偶联，所得到的双功能化合物能够以整合素和溶酶体依赖的方式诱导细胞外或细胞膜蛋白的内吞和降解。整合素是细胞表面表达的细胞粘附受体，在细胞-基质相互作用中发挥重要作用。由于整合素能够与含有Arg-Gly-Asp (RGD)基序的配体结合并将其转运到溶酶体中，因此它们是有吸引力的降解系统。应用这一策略，该团队设计、合成了靶向免疫检查点PD-L1的双功能化合物BMS-L1-RGD，并证实该化合物在细胞和整体动物水平均能够有效地降解靶蛋白PD-L1，且具有显著的体内抗肿瘤效果。 6、从内部降解膜蛋白——PROTAC——Crews实验室首次报道了一种细胞质PROTAC，其一臂是EGFR、HER2或MET的小分子抑制剂，另一臂结合VHL。结果显示，不同的EGFR结合弹头诱导不同的降解表型。C4 Therapeutics也开发了EGFR(L858R)小分子PROTAC降解剂CFT8919。国内海思科的EGFR PROTAC项目（HSK40118）已经进入I期临床。表2 eTPD策略及商业化总结小结相比iTPD，eTPD领域正处于起步阶段。尽管该领域目前有很多待解决的问题（如eTPD对哪些靶点有明显的优势、哪些类型的耐药机制将会发展，对eTPD药物的耐药是否比其他药物更容易出现），但科学界在这一领域的投入和收获有目共睹。对于eTPD领域来说，这是一个激动人心的时刻，相信未来还会有更多的发现。期待eTPD领域更多的好消息，为蛋白降解赛道发展带来新动力。备注：文中图片、表格均来源于Nature Reviews Drug Discovery参考资料：[1]https://www.nature.com/articles/s41573-023-00833-z[2]https://www.siat.ac.cn/kyjz2016/202212/t20221201_6557980.html推荐阅读在张江，20余位大咖畅聊“AI+创新药”Cell重磅：全球首创CD3L1抗体问世，癌症免疫治疗迎来新突破Copyright © 2024 PHARMCUBE. 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