挑战不可成药靶蛋白：创新类药物分子胶

杨翼 2022-09-07

抑制致病过程中起关键作用的靶蛋白无疑被视为药物分子设计之圭臬，为了成功地抑制靶蛋白在致病环节中的介导作用，科学家期待药物分子可以与之有效结合（共价或非共价结合），改变靶蛋白的空间结构或者破坏其生理学功能，从而实现抑制疾病发展的目的。

除了外源性的药物分子干扰之外，体内蛋白质-蛋白质相互作用（PPI, Protein-Protein Interaction）也对生物系统和疾病发展/抑制产生极为重要的影响。相对于直接与靶蛋白作用的小分子药物，影响PPI的药物研究开展得并不深入。这方面的局限导致了很多介导疾病的关键蛋白，由于没有合适的小分子“结合口袋”而被视为“不可成药” undruggable （想象在一个光溜溜的球上立住一个小玩偶是多么困难），失去了以此为突破口研发高效药物的机会。

针对这种局面，科学家们孜孜以求地寻找一种机制，利用生物体内的PPI，把致病的靶蛋白引入它的天敌酶蛋白的势力范围，假酶蛋白之力将其歼灭。可想而知，实现这个设想的关键，是如何将靶蛋白与酶蛋白像砖头一样被水泥粘结在一起。

在这种理念的指导下，分子胶（molecular glue）的概念开始在制药业得到重视。分子胶是一类存在于蛋白和蛋白相互作用界面的化学小分子，类似于战争中诱敌深入的小分队，将敌人主力部队（靶蛋白）引入我方（酶蛋白）布下的口袋阵，待其陷入埋伏后一举歼灭。在生物体内，分子胶利用“诱导靶蛋白降解” （TPD， Target Proetein Degradation）的策略实现阻断疾病发展的目标。分子胶将致病蛋白与E3泛素连接酶（ubiquitin ligase）结合在一起，“泛素蛋白酶途径”是己知的所有真核生物体内具有高度选择性的最为重要的蛋白质降解途径，常用作细胞垃圾处理。通常的过程是，分子胶先与泛素连接酶结合，改变了连接酶表面的结构，使得连接酶与原本并不作用的致病蛋白相结合，并触发对致病蛋白的泛素化修饰（图1）。另一种机制为，分子胶先与致病蛋白结合，导致该蛋白表面结构发生变化，并与泛素连接酶作用在一起。无论何种机制，被结合在一起的靶蛋白与泛素连接酶发生作用，靶蛋白被泛素化修饰，真核细胞中泛素化修饰后的靶蛋白可能被降解、可能被转移到细胞或细胞外的特定部位，也有可能导致靶蛋白的功能发生变化，这主要取决于靶蛋白所加的泛素链的结构，以及泛素链的长短。无论命运如何，靶蛋白的致病功能在这个过程中被破坏。

分子胶的意义在于，它将两个原本并不相互作用的蛋白（致病蛋白与泛素连接酶）以一己之力结合在一起，引发了致病蛋白的泛素化修饰，并最终触动了细胞的垃圾处理程序，将该致病蛋白降解 (图2)。值得注意的是，尽管绝大多数的分子胶利用了E3泛素连接酶，但同样存在非E3泛素连接酶参与的分子胶过程。

图1. 分子胶（蓝色部分）与E3泛素连接酶（黄色部分）结合后，改变了后者的表面结构，使其可以与原本不作用的致病蛋白（紫色部分）结合。一旦E3泛素连接酶与致病蛋白结合在一起，后者将遭到泛素（绿色部分）修饰，修饰后的蛋白则被细胞认作垃圾而处理（降解或转移至细胞外）。（图片来源：C4 Therapeutics）

图 2 . 分子胶作用机制图示。（图片来源：自 Pf izer 改编)

分子胶理论一经推出，便引发了学术界与工业界的关注。图3显示的是自从2012年以来，涉及小分子化合物介导的蛋白质降解（包含分子胶）的文献与专利数量的逐年增长趋势。

图3. 小分子化合物介导的蛋白质降解（包含分子胶）文献与专利年度数量图。（图片来源：CAS）

在充当蛋白质降解的诱导物中（包含分子胶），85.8% 为小分子化合物，7.7% 为多肽，蛋白与核酸（图4）。这种现象与传统的非共价药物设计形成对比，后者通常以多肽作为先导物进行药物设计研究。

图4. 文献中蛋白质降解诱导物（包含分子胶）的种类。

在蛋白质降解诱导物（包含分子胶）功能方面，将近一半的该类物质被用于癌症研究，包括乳腺癌、多发性骨髓癌、白血病、前列腺癌、黑色素瘤、肺癌以及其它多种癌症。蛋白质降解诱导物（包含分子胶）常见的应用领域还有神经退行性疾病、自免疫疾病、心血管疾病、感染、炎症和代谢紊乱类疾病（图5）。¹

图5. 蛋白质降解诱导物（包含分子胶）研究领域图

分子胶介导蛋白质降解以及疾病治疗案例

转录因子IKZF1/3的蛋白降解分子胶

IKZF1 和 IKZF3 是淋巴细胞谱系转录因子，它们是多发性骨髓瘤中恶性浆细胞存活的关键调节因子。IKZF1 和 IKZF3 由于缺乏可成药的结合口袋，被认为是不可成药的靶蛋白。表1展示了介导其降解的分子胶化合物。²

表1. 介导转录因子IKZF1/3蛋白降解的分子胶

分子胶名称	化学结构	靶蛋白	疾病
Revlimid (来那度胺, 雷利度胺）		IKZF1, IKZF3	多发性骨髓瘤, 骨髓增生异常综合症（MDS）, 5号染色体长臂缺失症候群
Thalidomide (沙利度胺)		IKZF1, IKZF3	多发性骨髓瘤，麻风性结节性红斑
Pomalyst (泊马度胺)		IKZF1, IKZF3	多发性骨髓瘤

Cyclin K 和 CDK12 的蛋白降解分子胶

Cyclin K 和CDK12 是细胞周期素 E1过度表达导致的人类肿瘤的药物靶点。分子胶引发多泛素化和随后的CDK12 伴侣蛋白 CCNK的降解。表2总结了Cyclin K与CDK12降解的分子胶。³

表2. 介导Cyclin K和CDK12蛋白降解的分子胶

分子胶名称	化学结构	靶蛋白	疾病
CR8		Cyclin K	癌症
Glue01		Cyclin K	癌症
HQ005		Cyclin K

酪蛋白激酶 1α (CK1α) 降解分子胶

CK1α是 CK1蛋白家族的成员，它调节各种信号通路并涉及自身免疫性疾病、神经退行性疾病和癌症。FPFT-2216 和 TMX4116（表 3）各自诱导CRBN E3 连接酶与CK1α的三元复合物的形成。这种三元复合物的形成促进CK1α的泛素化和降解。⁴

表3. 介导CK1α蛋白降解的分子胶

分子胶名称	化学结构	靶蛋白	疾病
FPFT-2216		IKZF1, CK1α	多发性骨髓瘤
TMX-4116		CK1α	多发性骨髓瘤

G1-S 相变蛋白 1 (GSPT1) 降解分子胶

翻译终止因子 GSPT1 在几种癌症中过度表达。GSPT1 目前作为髓性白血病的靶蛋白受到广泛研究。新型CRBN分子胶调节剂已显示出诱导GSPT1选择性降解的能力（表4）。⁵

表4. 介导GSPT1 降解的分子胶

分子胶名称	化学结构	靶蛋白	疾病
Eragidomide		GSPT1, eRF3a	急性髓系白血病
ZXH-1-161		GSPT1, GSPT2	多发性骨髓瘤

RNA 结合基序蛋白 39 (RBM39) 降解分子胶

RBM39 是一种 RNA 结合蛋白，参与转录共调控和选择性 RNA 剪接。最近的研究表明，RBM39 是芳基磺胺类药物、indisulam、E7820 和 CQS 的靶蛋白（表5），它们充当 RBM39 和E3 泛素连接酶复合物的分子胶，导致RBM39 的选择性降解。RBM39 的降解导致异常剪接和差异基因表达，从而抑制细胞周期进程并导致肿瘤消退。Indisulam、E7820 和 CQS已在临床试验中被评估为抗肿瘤药物候选。⁶

表5. 介导RBM39降解的分子胶

分子胶名称	化学结构	靶蛋白	疾病
Indisulam (吲哚美辛)		RNF39, RBM39, RBM23	白血病
E7820		RBM39, RMB23	大肠直肠癌
CQS		RBM39, RMB23	肺癌，大肠直肠癌

天然分子胶

虽然分子胶大多是在实验室中设计合成的，但自然界中也存在分子胶化合物。环孢菌素 A [Cyclosporin A, CsA (表 6)] 是结合亲环蛋白 18 (Cyp18)的分子胶，所形成的Cyp18-CsA 复合物再与依赖钙/钙结合蛋白的钙调磷酸酶作用，抑制NF-AT的去磷酸化使其不能进入核内，从而抑制IL-2的产生，T淋巴细胞的生成受抑制。⁷CsA 是一种高度特异性的 T 细胞活化抑制剂。从20世纪80年代CsA作为免疫抑制剂用于临床以来，在器官移植治疗中发挥了重大作用，奠定并推动了器官移植的发展。全世界已有超过20万例的患者使用环孢菌素A作为器官移植时的抗排斥反应药物。作为免疫抑制剂它还被应用于一些自身免疫性疾病的治疗，如对类风湿关节炎及白塞，对I型糖尿病、牛皮癣和寄生虫病如疟疾、血吸虫等有一定疗效。此外，环孢菌素A还具有广泛的其它生物学活性如抗真菌、抗寄生虫、抗HIV、抗炎、逆转肿瘤细胞多药耐药等作用。

Voclosporin (Lupkynis) 已获FDA批准用于治疗成人狼疮性肾炎。Voclosporin是新型免疫调节药物，抑制钙调神经磷酸酶，其作用机理与CsA相似。⁸Sanglifehrin A (SfA) 表现出抗增殖和免疫抑制作用，它通过抑制 T 细胞和 B 细胞增殖发挥活性。SfA充当Cyp18 和肌苷5'-单磷酸脱氢酶2 (IMPDH2)的分子胶。⁹植物激素生长素 (AUX、吲哚-3-乙酸、IAA)和茉莉酮酸（ jasmonate）都是结构简单的天然分子胶化合物。植物激素生长素直接与 Skp1-cullin 1-F 盒蛋白(SCF) E3 泛素蛋白连接酶 TIR1结合，引发AUX蛋白的降解。茉莉酮酸利用 E3泛素连接酶 SCFTIR1 吸引和降解茉莉酸-ZIM (JAZ) 结构域蛋白。¹⁰

分子胶名称	化学结构	靶蛋白	疾病
Cyclosporin A (环孢菌素 A)		Cyclophin-1受体
Lupkynis (伏环孢素)		钙调神经磷酸酶	狼疮性肾炎
Sanglifehrin A		IMPDH2	癌症
Auxin		AUX/IAA transcriptional regulator
茉莉酮酸		茉莉酮酸zim 结构域蛋白

总结

分子胶已经发展为一种代表性的创新药类型，尤其是针对那些难以成药的蛋白质靶标。通过小分子诱导蛋白质降解已成为一种可行的治疗途径。目前总共只有 16% 的疾病相关蛋白具有可被小分子或生物制剂所靶向。¹¹ 分子胶作为新型的蛋白质降解策略，其表现令人振奋，而且必然会有更新的发展。

尽管分子胶药物具有良好的药代动力学特性，但目前表征良好的分子胶仍然是十分有限的。对于它们的作用机制的了解仍然不足。因此，该领域的进一步深入研究是非常有必要的。这个创新药领域的进步无疑将对药物发现产生重大影响。许多与疾病相关的靶向蛋白质因其特有的结构产生不可成药性，不能被传统的小分子药物通过非共价结合的方式抑制。而分子胶可以在这个领域发挥至关重要的作用。与这些不可成药的靶向蛋白质结合，诱发其结构变化，从而赋予其成药性。从长远来看，基于结构的合理优化蛋白质降解剂的分子设计是分子胶领域的发展重点。分子胶的作用机理，以及它们在结构生物学和药物化学领域内的特性，将成为分子胶类药物获得临床应用的关键。

【参考指南】
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来源：E药学苑