PROTACs：学术界和产业界的巨大机遇
蛋白水解靶向嵌合体（PROteolysis TArgeting Chimeras，PROTACs）已成为一种有前途的通过降解调控兴趣蛋白(protein ofinterest，POI)的技术。
一、原理
如上图所示，PROTACs技术看起来像哑铃一样。这一双功能分子通过一个理想的连接器（linker）连接兴趣蛋白的配体以及E3泛素连接酶的招募配体。也就是说，PROTACs技术的一端与兴趣蛋白（即靶蛋白）结合，另一端与E3泛素连接酶结合。E3泛素连接酶通过将一种叫做泛素的小蛋白贴在兴趣蛋白上将其标记为缺陷或受损蛋白。之后，细胞的蛋白粉碎机（即，蛋白酶体）会处理掉被标记的兴趣蛋白。也就是说，当PROTACs促进兴趣蛋白和E3泛素连接酶形成三元复合物时，降解就会发生，从而调节兴趣蛋白的水平。
PROTACs的发现要追溯到2001年。当时，加州理工学院的Raymond Deshaies博士与耶鲁大学的Craig Crews教授在一篇PNAS论文中[1]描述：利用基于肽的Protac-1诱导了靶蛋白2型蛋氨酸氨肽酶（MetAP-2）的降解。不过，基于大而笨重的肽起连接作用的一代PROTACs在人类细胞中活性较低，之后Crews教授及其同事一直改进这一技术。到2008年，他们已经放弃了基于肽的PROTACs技术，并设计出了基于E3泛素连接酶MDM2、可用于降解雄激素受体(AR)的基于小分子的PROTACs [2]。从那以后，科学家们开发出了可降解不同兴趣蛋白的大量PROTACs，PROTACs所能触及的靶点范围和疾病类型以惊人的速度扩大/增加。
二、靶点
近日，清华大学饶燏教授团队在Nature旗下Signal Transduction and Targeted Therapy 杂志上了发表了一篇题为“PROTACs: great opportunities for academia and industry”的综述文章[3]，总结了PROTACs靶向的癌症相关靶点、病毒感染相关靶点以及PROTACs在治疗免疫疾病、神经退行性疾病等方面的应用。
PROTACs的分布 | a. PROTACs在不同疾病中的有效性；b. PROTACs在不同生物过程中的有效性（来源：Signal Transduction and Targeted Therapy）
①癌症相关靶点
靶点1：AHR（aryl hydrocarbon receptor）
简介：AHR介导了环境致癌物质的许多毒性和致癌作用。
代表性PROTACs分子：Api-Protac-II
靶点2：ALK（Anaplastic lymphoma kinase）
简介：ALK的致癌激活与多种癌症的发生和发展高度相关，包括弥漫性大B细胞淋巴瘤、间变性大细胞非霍奇金淋巴瘤、食道鳞状细胞癌、炎性肌纤维母细胞瘤、非小细胞肺癌、肾细胞癌、神经母细胞瘤、甲状腺癌、卵巢癌、结肠癌、乳腺癌。
代表性PROTACs分子：TL13–12、TL13–112、MS4077、MS4078、TD-004
靶点3：AR（androgen receptor）
简介：AR紊乱是前列腺癌的主要驱动因素。
代表性PROTAC分子s：ARCC-4、ARV-110
靶点4：BCL2
简介：BCL2因其作为抗凋亡蛋白的重要作用而被归类为致癌基因。BCL2失调会导致不同的癌症。
代表性PROTACs分子：C5
靶点5：BCL6（B-cell lymphoma 6）
简介：BCL6被发现通过多种基因改变参与弥漫性大B细胞淋巴瘤和滤泡性淋巴瘤的分化和增殖。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点6：BCR-ABL
简介：融合基因BCR-ABL是导致慢性骨髓性淋巴瘤的主要原因。
代表性PROTACs分子：DAS-6-2-2-6-CRBN、DAS-IAP
靶点7：BET（bromodomain and extratermina）
简介：有研究证实，在去势抵抗性前列腺癌临床前模型中，抑制BET家族蛋白可发挥抗癌作用。
代表性PROTACs分子：ARV-771、dBET1、BETd-246
靶点8：BRD9和BRD7
简介：包括宫颈癌在内的多种癌症表现出BRD9过表达。BRD7是BRD9的相近同源物。
代表性PROTACs分子：dBRD9、VZ185
靶点9：BTK
简介：B细胞受体(BCR)是B细胞黏附、生存和生长信号通路中的重要调节因子，而在BCR通路中，BTK是必不可少的。
代表性PROTACs分子：L18I、MT-802、DD-03-171等
靶点10：CDK4/6（Cyclin-dependent kinases 4 and 6）
简介：CDK4/6是细胞周期的关键调节因子，在G1期到S期（G1-to-S-phase）的过渡中发挥了关键作用。CDK4/6在许多癌症中过度活跃，导致细胞增殖失控。
代表性PROTACs分子：BSJ-03-204、BSJ-04-132、BSJ-03-123、CP-10等
靶点11：CDK8（Cyclin-dependent kinase 8）
简介：CDK8基因的过表达破坏了细胞增殖、分化和凋亡，可以加速癌细胞的生长和分裂，如宫颈癌、结直肠癌、胃癌、恶性黑色素瘤等。
代表性PROTACs分子：JH-XI-10-02
靶点12：CDK 9（Cyclin-dependent kinase 9 ）
简介：CDK9在多种恶性肿瘤中广泛表达。
代表性PROTACs分子：THAL-SNS-032等
靶点13：CK2（Casein kinase 2）
简介：CK2的过表达与癌症的发生有关。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点14：c-Met
简介：c-Met与癌细胞存活、生长、血管生成和转移有关。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点15：DHODH（Dihydroorotate dehydrogenase ）
简介：DHODH为进一步合成RNA、DNA、糖蛋白和磷脂提供了基础。抑制DHODH的活性已被认为是一种有希望的治疗策略，用于对抗病毒感染、癌症、关节炎和免疫抑制。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点16：EGFR 和HER2
简介：EGFR（Epidermal growth factor receptor）过表达在恶性肿瘤的进展中起重要作用，如胶质母细胞瘤、NSCLC、头颈癌、乳腺癌、结直肠癌、卵巢癌、前列腺癌、胰腺癌等。HER2是EGFR家族的四个成员之一。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点17：eIF4E（Eukaryotic translation initiation factor 4E）
简介：eIF4E对细胞增殖、分化和转移有重要影响。研究表明，eIF4E在动物和人类的许多恶性细胞系和原发肿瘤中过表达。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点18：ER
简介：80%新确诊的乳腺癌病例为ERα阳性。
代表性PROTACs分子：ARV-471等。
靶点19：ERK1和ERK2
简介：ERK1和ERK2参与Ras-Raf-MEK-ERK信号转导级联，而Ras-Raf-MEK-ERK信号通路与多种癌症有关。
代表性PROTACs分子：ERK-CLIPTAC等
靶点20：ERRα（estrogen-related receptors）
简介：ERRs在维持体内平衡中起着重要的作用，包括与ERRα和ERRγ相关的代谢平衡。
代表性PROTACs分子：PROTAC_ERRα等
靶点21：FAK（Focal adhesion kinase）
简介：FAK具有激酶依赖性的酶功能和非激酶依赖性的支架功能，这两个功能在癌症发展中起重要作用。
代表性PROTACs分子：BI-3663、BI-0319、FC-11等
靶点22：FLT-3（FMS-like tyrosine kinase 3）
简介：FLT3在细胞增殖、分化和凋亡中起重要作用。约30%新诊断的急性髓系白血病患者出现FLT3突变。
代表性PROTACs分子：TL13-117、TL13-149等
靶点23：HDAC6（Histone deacetylases）
简介：HDAC6属于II型组蛋白去乙酰化酶（HDAC）家族，具有独特的结构和生物学特性。越来越多的研究表明，HDAC6与肿瘤的发生发展密切相关。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点24：MCL1（Myeloid cell leukemia 1）
简介：MCL1是一种在多种不同癌症中过表达的促生存蛋白，如淋巴瘤、白血病、乳腺癌。
代表性PROTACs分子：dMCL1-2 等
靶点25：MDM2（Murine double minute 2）
简介：MDM2是p53的负性内源性细胞调节因子。MDM2在某些人类p53野生型癌症中过表达。
代表性PROTACs分子：MD-224等
靶点26：p38α和p38δ
简介：p38 MAPK激酶可被各种细胞压力和炎症细胞因子激活，由p38α、p38β、p38γ和p38δ四个成员组成。
代表性PROTACs分子：SJFα 、SJFδ
靶点27：PARP1（Poly (ADP-ribose) polymerases）
简介：由于PARP1在DNA损伤反应中的关键作用，它被认为是一个强有力的癌症治疗靶点。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点28：PI3K（Phosphoinositide 3-kinases ）
简介：P13K依赖性信号通路的过表达是肿瘤发生的主要特征之一。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点29：Pirin
简介：Pirin被报道为一种转录因子调节因子。有研究显示，通过siRNA敲除pirin能够抑制癌细胞的迁移和增殖。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点30：PRC2（Polycomb repressive complex 2）或其核心亚基EED (embryonic ectoderm development)
简介：据报道，PRC2在多种癌症类型中既可作为致癌基因，又可作为肿瘤发生的抑制因子。
代表性PROTACs分子：UNC6852
靶点31：RIPK2
简介：丝氨酸-苏氨酸激酶RIPK2是NOD1和NOD2信号的重要先天免疫调节因子。
代表性PROTACs分子：PROTAC_RIPK2
靶点32：Rpn13
简介：Rpn13在多发性骨髓瘤细胞中表达较高，且在多发性骨髓瘤细胞的生长和存活中起重要作用。
代表性PROTACs分子：WL40
靶点33：SGK3（Serum/glucocorticoid-inducible protein kinase）
简介：SGK是PI3K的关键下游信号分子。SGK-3是SGK家族的一个亚型，在细胞增殖和生存中起重要作用，尤其在乳腺癌、肝癌、结直肠癌和前列腺癌中。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点34：Smad3
简介：Smad3的表达水平和功能状态影响信号转导过程，涉及细胞生长、增殖、发育、分化、迁移和凋亡。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点35：STAT3
简介：作为一种转录因子，STAT3通过调节与细胞存活、增殖、侵袭、转移相关的基因，在肿瘤发生中发挥重要作用。
代表性PROTACs分子：SD-36
靶点36：TBK1（TANK-binding kinase 1）
简介：TBK1是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，在先天免疫、肿瘤发生和发展中具有多种细胞功能。
代表性PROTACs分子：见下图
靶点37：TRIM 24
简介：TRIM24被认为是许多癌症的依赖。
代表性PROTACs分子：dTRIM24
②病毒感染相关靶点
靶点38：NS3
简介：丙型肝炎病毒NS3蛋白在病毒感染中起多种重要作用。
代表性PROTACs分子：DGY-08-097
③免疫疾病相关靶点
靶点39：IRAK4（Interleukin-1 receptor-associated kinase 4）
简介：参与先天免疫过程的关键分子
代表性PROTACs分子：见下图
靶点40：PCAF（P300/CBP-associated factor ）/GCN5（general control nonderepressible 5）
简介：PCAF和GCN5被认为是表观遗传蛋白，具有乙酰转移酶功能，在DNA损伤修复、代谢调节、细胞增殖和分化等多种细胞通路中发挥重要作用。
代表性PROTACs分子：GSK983
靶点41：Sirtuin2(Sirt2)
简介：Sirtuin2 (Sirt2)的失衡与多种疾病的发生有关，如神经退行性疾病、癌症、2型糖尿病和细菌感染。
代表性PROTACs分子：见下图
④神经退行性疾病相关靶点
靶点42：Tau
简介：Tau失调是多种神经退行性疾病（如阿尔茨海默症、额颞叶痴呆）的重要特征，作为一种非酶蛋白，目前没有好的小分子来解决它的失衡。
代表性PROTACs分子：QC-01-175
三、优势
作为一种新兴的、有前途的技术，PROTACs在以下几个方面显示出巨大的发展潜力(下图)。
首先，PROTACs对耐药靶点表现出了特殊的敏感性。传统上，化疗是癌症治疗的主要手段，但化疗药物的获得性耐药阻碍了临床应用，导致疾病复发。之后发展出的激酶抑制剂、免疫疗法也纷纷暴露出耐药问题。由于PROTACs通过清除整个靶蛋白来影响蛋白功能，包括酶活性功能和非酶功能，因此该技术有望解决当前治疗面临的潜在耐药性。
其次，PROTACs具有靶向“无成药性靶点（undruggable target）”的潜能。大多数小分子药物或大分子抗体需要结合酶或受体的活性位点来发挥作用，然而，据估计，人类细胞中80%的蛋白缺乏这样的位点。而PROTACs可以通过任何角落、缝隙抓住靶蛋白。
第三，PROTACs可影响非酶功能。传统的小分子药物一般通过消除其靶点的酶活性来发挥作用。而不断积累的研究显示，PROTACs具有扩大靶点“成药空间”（druggable space），控制蛋白酶和非酶功能的潜能。
四、总结
依赖于降解靶蛋白而不是抑制靶蛋白的特性，PROTACs引起了学术界和工业界的广泛关注，被寄予了开发新型疗法的厚望。随着PROTACs领域的迅速发展，大量研究进展陆续发表。到目前为止，已有超过40个靶点被证实可被PROTACs降解。不过，尽管PROTACs展现出了令人期待的潜力，但需要更多的努力来对该技术在临床上的安全性和有效性进行更深入的了解。此外，探索更多的靶蛋白以及可用E3泛素连接酶（有分析称，超过600个人类E3泛素连接酶中，约270个被认为与泛素蛋白酶体系统有关。不过，目前只有不到10个被用于靶向蛋白质降解）是未来的重要研究方向。