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但过去二十多年,超过90%的PROTAC用的E3连接酶就那么几个—CRBN和VHL。这就带来两个很现实的问题:第一,E3表达谱和突变状态在不同细胞、不同病人身上差异很大。在某个适应症里用CRBN-based PROTAC效果很好,换个癌种或者病人出现耐药突变,可能就完全失效。第二,CRBN和VHL表达太普遍,导致PROTAC在非目标组织里也乱降解,引起on-target off-tissue毒性。
今天我们系统地梳理了2021-2025年间,两类打破上述瓶颈的策略—一是寻找和验证新型E3连接酶,不再死磕CRBN/VHL,二是发展刺激响应型前体pre-PROTAC,让药物只在肿瘤局部被激活。
新型E3连接酶:不再只盯着CRBN和VHL
FBXO22
这是2024年才被真正验证的一个E3。化合物1 22-SLF本来是个FKBP12的配体,连了一个氯乙酰胺亲电弹头,结果发现它通过共价修饰FBXO22的C227/C228来降解FKBP12。这里要特别提一下Winter组的工作:他们发现SP₃N(化合物2)本身不是直接结合FBXO22的,而是代谢成醛类活性物种SP₃CHO(化合物3)后才起作用。这说明有些看似promiscuous的烷基胺类分子背后其实有特定的E3依赖机制。简而言之,以前觉得某些分子乱降解蛋白是非特异的,现在发现人家是有特定E3 partner的,只是我们以前不知道。
FEM1B
上图展示了FEM1B识别底物FNIP1的结构基础—关键在于Cys186。Nomura组用竞争性荧光偏振筛到了一个氯乙酰胺类分子EN106(化合物4)共价修饰C186。他们随后把这个EN106连到BET抑制剂JQ1上,做出NJH-1-106(化合物5),在250 nM下就能把BRD4降解掉94%。连到dasatinib上(化合物6)也能有效降解BCR-ABL。这说明同一个共价E3招募器换不同的POI配体就能做成不同靶向的PROTAC,通用性很好。
KLHDC2
这个E3有意思的地方在于它的天然底物SelK是通过C端的Gly-Gly motif被识别的。早期工作(KYH1872,化合物7)用的是多肽类招募器,细胞透性差,效果一般。真正突破来自Arvinas和Schulman组先后开发的小分子非共价配体。
KDRLKZ-2(化合物10)结合KLHDC2的KD是95 nM,做成PROTAC K2-B4-5e(化合物11)后,用的是甲酯前药形式—因为羧基本身透膜差,做成甲酯进去再被酯酶水解。这个设计细节很重要,很多靶向KLHDC2的分子都用了同样的前药化策略,说明这个E3配体的理化性质确实不理想,需要工程化改造。
Schulman组做的SJ46420(化合物13)也是类似思路,在SKBR3细胞里2小时就能降解70%的BRD3。但要注意,他们跟Arvinas的分子比了一下,发现不同细胞系、不同时间点优劣关系会变—这说明E3-PROTAC的活性高度依赖细胞背景,不能简单横向比较绝对DC50。
KEAP1
KEAP1作为E3被用于PROTAC,最早是2018年Jiang组的肽类工作。真正有突破性的是2021年Jin组的MS83(化合物18)。他们用的是KEAP1的非共价抑制剂KI696(化合物17)作为招募器。Gray组也跟进做了DGY-06-177 pk2(化合物19)和NJH-04-098(化合物20),分别靶向BRD4和FAK,但BTK、BRD9、CDK4/6、EGFR这些用CRBN/VHL能降解的靶点,用KEAP1却不行。
这里要强调一个关键结论:不是所有POI都适合用同一个E3去降解,E3和POI之间的几何兼容性非常关键。KEAP1-based PROTAC的应用范围看起来比VHL/CRBN窄。
DCAF家族
DCAF16、DCAF11、DCAF1、DCAF2、DCAF15都属于CRL4复合物的底物受体。KB02-SLF(化合物26)是最早的DCAF16共价招募器,但KB02这个亲电片段太脏,会修饰很多胱氨酸。后来Zhang组找到了YY4(化合物29),做成MC-25B(化合物30),选择性好多了。
DCAF1的工作特别值得一提。两个团队几乎同时做出了高效的非共价配体—Vulpetti组的化合物43(KD=31 nM)和Vedadi组的OICR-8268(化合物46,KD=38 nM)。更重要的是,基于这些配体的PROTAC(比如DBt-10,化合物44)能在CRBN-based PROTAC耐药细胞里有效降解BTK。这直接证明了:换一个E3就能绕过对CRBN的获得性耐药。
TRIM21
这个E3比较特别。Han组发现ACE(acepromazine)的代谢物(S)-ACE-OH(化合物59)可以作为分子胶,让TRIM21去降解核孔复合物蛋白。他们进一步把这个分子胶功能化,做成了TrimTAC1(化合物60,靶向BRD4)和TrimTAC2(化合物61,靶向FKBP12)。值得注意的是,TRIM21-based PROTAC目前更擅长降解多聚体蛋白,而不是单体。这个特点可能在某些特定适应症里有独特价值。
GID4
GID4这个E3的配体PFI-7(化合物65)最早是Dong组开发的非共价拮抗剂。他们把PFI-7连到JQ1上,做成NEP108(化合物66),能选择性降解BRD4/2但不降解BRD3。三元复合物的晶体结构显示,这个PROTAC在结合时采取了比较flexible的构象—这种柔性可能正是它能区分BRD家族成员的原因。
热休克蛋白介导的降解:绕开E3配体稀缺的问题
这部分我们分析HSP90/HSP70介导的PROTAC。核心逻辑很简单:既然直接找新的E3配体费劲,那我不如去招一个本来就自带多个E3的蛋白复合物—HSP90复合物就是这样一个平台。Li组的HEMTAC 26(化合物67)靶向CDK4/6,Dong组的GDCNF-11(化合物68)靶向GPX4。Ranok Therapeutics公司的RNK05047(靶向BRD4)已经进了Phase I/II。
更巧妙的是Hu组的工作:他们把POI配体通过一个NASA linker共价连到HSP90配体PU-H71上,做成iHAC(化合物74)和eHAC(化合物75),分别降解胞内BRD4和膜上PD-L1。而且因为血小板里HSP90特别高,他们先把化合物加载到血小板上,再输回去—用细胞做递送载体,这个思路很新。
HSP70-based的GDAz-3(化合物7)是另一个例子,降解GPX4的DC50=130 nM,而且在CRBN/VHL knockdown细胞里活性不受影响,说明它确实绕开了这两大主流E3。
刺激响应型PROTAC:解决非肿瘤组织毒性
光/超声激活
NAP(化合物77)是NIR光激活的,通过单线态氧切断linker释放活性PROTAC,在MCF-7荷瘤小鼠里抑瘤率83.4%。RT-PROTAC(化合物78)是X-ray激活的,DC50从母体PROTAC的31.23 nM提升到8.44 nM(辐照后),而且肿瘤体积增长明显被抑制。
NP_Ce6+PRO是超声激活的,用的是硫缩醛(TK)linker,被ROS切断。这个设计是针对胰腺癌这类深部肿瘤—光穿透不了,但超声可以。
缺氧激活
缺氧是实体瘤的普遍特征。Zhang组做的ha-PROTAC 81在EGFRDel19上实现了缺氧选择性降解—硝基咪唑或硝基苄基作为缺氧响应基团被NTR还原后断裂,从而恢复PROTAC活性。Conway组的IQ-VHL和IQ-CRBN用的是吲哚醌基团,选择性更好。
DAO-PROTAC(化合物87)更高级—同时需要缺氧和Cathepsin L两个信号才会激活,相当于一个逻辑AND门,进一步提高了肿瘤特异性。
ROS和GSH激活
Chen组的pre-PROTAC 93用的是芳基硼酸被ROS氧化后断裂;Sun组的化合物94也是类似思路,但用的是碳酸酯linker。GSH响应的例子化合物97-99用的是硝基苯磺酰基,在GSH高的癌细胞里被还原脱保护。
生物正交激活
Wang组的TCO-ARV-771(化合物100)是TCO-caged的PROTAC,配合c(RGDyK)-Tz(化合物101)—Tz被αvβ3整合素靶向到肿瘤细胞表面后,IEDDA反应释放活性ARV-771。Xing组的ENCTACs是用CTSB酶切暴露1,2-氨基硫醇再与CBT修饰的JQ1原位环化生成活性PROTAC。
总结
这篇文章我们系统梳理了目前可用的新E3工具箱和刺激响应型PROTAC的设计范式。需要清醒认识到的是:1)大多数新E3的配体还是共价的而且发现方式以表型筛选或化学蛋白质组学为主,理性设计还很难。2)绝大多数验证只做了BRD4,能不能推广到其他靶点,还要打问号。3)pre-PROTAC的帽子往往增加了分子量进一步恶化类药性,而且体内激活效率、前药稳定性都需要大量优化。
参考文献:
Peng W, Pan X, Wang S, Huang G, Qian Y. New PROTAC Designs for Targeted Protein Degradation in 2021-2025: Novel E3 Ligases and Pre-PROTACs. J Med Chem.
Zhang L, Riley-Gillis B, Vijay P, Shen Y. Acquired Resistance to BET-PROTACs (Proteolysis-Targeting Chimeras) Caused by Genomic Alterations in Core Components of E3 Ligase Complexes. Mol Cancer Ther.
Girardini M, Maniaci C, Hughes SJ, Testa A, Ciulli A. Cereblon versus VHL: Hijacking E3 ligases against each other using PROTACs. Bioorg Med Chem.
Yokoo H, Tsuji G, Inoue T, Naito M, Demizu Y, Ohoka N. Expansion of targeted degradation by Gilteritinib-Warheaded PROTACs to ALK fusion proteins. Bioorg Chem.
END
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