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PROTAC可降解的致癌蛋白

发布时间:2020-05-15 16:25:12 | 来源:【药物研发团队 2020-05-15】
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2019年1月2日,清华大学医学院基础医学系的王银银在《Cell Biochemistry and Function》上发表了一篇关于PROTAC的综述。作者从Pubmed中检索了2001-2018年发表的关于PROTAC的文章,根据30多篇评论文章和80篇研究论文撰总结了PROTACs技术的发展历程。

现将该文章中关于PROTAC可降解的致癌蛋白部分摘录如下,供开展抗癌新策略研究及新型抗肿瘤药物研发参考。

到目前为止,已有30多个蛋白可以利用PROTACs降解。降解致癌蛋白成为一种治疗癌症的可行新策略。可降解的靶蛋白包括:核受体(ER、AR和RAR)、蛋白激酶(Akt、BCR-Abl、c-Abl、BTK、ALK、CDK9、RIPK2、DAPK1和PSD-95)、蛋白质转录调控蛋白(BRD4、Sirt2、HDAC6、TRIM24、IKZH1/ 3和Smad3)、调节蛋白(CRABP-I/II、TACC3、AHR、FKBP12、ERRα和X-protein)、神经退行性相关蛋白(Huntingtin)、Tau、α-突触核蛋白和PSD-95)、细胞代谢酶(MetAP-2和DHODH)和融合蛋白(HaloTag)。

一、降解核受体

基于肽和基于小分子的PROTACs都被设计用于靶向降解ER、AR和RAR。

PROTACs在降解ER和AR方面取得了一些可喜进展。

(一)PROTAC降解ER

使用4-羟基三苯氧胺与MeBS连接的SNIPER(ER)-3,它通过含cIAP1的E3泛素连接酶靶向泛素化标记ERα,并有效诱导ERα降解,从而阻断雌二醇下游基因PS2的表达,强烈诱导了ROS的产生,并最终导致ER阳性细胞系MCF-7细胞的凋亡。但对其它ER阴性细胞无影响。

最近,一种新的PROTAC利用非类固醇选择性ER降解剂(SERD)诱导ER的降解,该PROTAC分子量更小,但降解活性更强。

(二)PROTAC降解AR

在针对AR的PROTAC上,Crews博士研究组使用恩杂鲁胺连接VHL配体,该PROTAC分子命名为ARCC-4。他们的试验表明,ARCC-4在所有前列腺癌细胞系(VCaP,LNCaP和22Rv1)以及乳腺癌细胞(T47D)中均可靶向降解AR。进一步的试验显示,ARCC-4抑制AR诱导的前列腺特异性抗原(PSA)在VCaP细胞中的表达。有趣的是,他们还发现ARCC-4诱导AR突变体(F876L、H874Y、M896V、T877A和L702H)的降解。这让治疗AR突变的前列腺癌有了希望。此外,Raina博士研究组开发的名为ARV-771的PROTAC,通过连接pan-bet抑制剂,不仅降解了BRD4蛋白,还阻止了AR蛋白表达水平和AR信号传导,显著提高了对去势抵抗前列腺癌(CRPC)细胞模型的疗效。

二、降解转录调节因子BET家族蛋白

Crews博士研究组设计了一种名为ARV-825的PROTAC,用以降解含一个溴结构域和外结构域(BET)家族成员的BRD4蛋白。他们将结合含CRBN的E3抑制剂pomalidominde与BRD4的抑制剂OTX015连接起来。试验表明,ARV-825诱导了细胞中BRD4快速和有效的降解。通过靶向降解BRD4,ARV-825与BRD4抑制剂相比显示出更有效的c-MYC抑制。这种新策略克服了BRD4抑制导致大量BRD4蛋白积累的问题。

2016年晚些时候,该小组的试验还证实ARV-825对5种MM细胞系(SKO-007,U266,RPMI-8226,ARP-1,JJN3)和产生CD138+的骨髓瘤患者的MM细胞中均有显著抑制作用。前期结果显示,ARV-825优于BET溴结构域抑制剂(JQ1和I-BET151)。接下来,研究者又观察到ARV-825可以诱导CD34+post‐MPNsAML细胞更显著地凋亡。试验显示,ARV-825导致BRD4下游基因表达水平持续减少和某些基因增加。减少的包括c-Myc、CDK4/6、JAK2、pSTAT3/5、PIM1和Bcl-xL,增加的是p21和p27的表达水平。这些结果也证明,降解BRD4的PROTACs比BRD4抑制剂更优。

另外,Zengerle博士研究组设计的PROTAC是将JQ1与结合VHL的配体连接起来。他们观察到这种PROTAC在含BET蛋白的细胞内特异性降解BRD4。有趣的是,与前面的ARV-825一样,该PROTAC不仅导致BET家族蛋白质的快速、有效和长期降解,也导致BRD4下游Myc、p21和AREG的变化。由于BET蛋白质对NF-kB激活的基因表达至关重要,有研究者认为,降解BET蛋白的PROTACs抑制了脂多糖(LPS)激发后小胶质细胞的促炎反应。

Raina博士研究组设计的ARV-771,与BET抑制相比,除了显着提高了CRPC细胞模型的疗效。在另一项研究中,发现其提高了HEL92.1.7细胞移植NSG小鼠的生存期,对于小鼠白血病的治疗效果优于OTX015。

最近,有研究报道了基于BET抑制剂的PROTAC、ARV-825和ARV-771对MCL细胞的作用。结果显示,BET-PROTACs诱导MCL细胞凋亡的效果比BET抑制剂更好。BET-PROTAC可诱导依鲁替尼抗性细胞的凋亡。

对于c‐Myc、CDK4、cyclinD1、Bcl‐xL,XIAP和BTK,用BET-PROTAC处理比BET制剂更显著地降低了对应蛋白的mRNA和蛋白水平。试验还观察到BET-PROTAC还诱导了HEXIM1,NOXA和CDKN1A/p21的表达增加。另外,试验显示ARV-771较ARV-825药理学特性更优异。与OTX015相比,ARV-771治疗的MCL细胞移植裸鼠抑制体内肿瘤生长显著被抑制,且提高了裸鼠的的生存期。然后,研究者证明ARV-771可与Ibrutinib、Venetoclax和Palbociclib协同作用,诱导MCL细胞凋亡。

2018年,使用PROTAC靶向降解BET家族蛋白质成为热点。Qin等人利用Oxazepines设计了一种名为QCA570的PROTAC用以降解BET蛋白。其在低皮摩尔浓度下有效诱导BET蛋白降解,并抑制人急性白血病细胞增殖。试验证明QCA570可以完全消除小鼠白血病异种移植模型中的肿瘤。

最近,该研究组针对BRD4和其他BET家族成员设计了PROTACs,其可有效抑制骨髓瘤细胞,且效果呈时间依赖性和浓度依赖性。PROTAC处理后的骨髓瘤细胞显示G0/G1停滞,CDK4/6表达降低,p21表达增加,诱导细胞凋亡。该小组报告他们的PROTAC特异性地降低了BRD4下游基因,包括c-MYC和N-MYC。值得注意的是,试验表明PROTAC克服了硼替佐米、地塞米松、来那度胺和泊马度胺的耐药性。该PROTACs还能够诱导从骨髓瘤患者来源的原代癌细胞的活力损失,抑制基于MM1.S-异种移植物的肿瘤在小鼠内体的生长。通过修饰脯氨酸的羟基化可以提高PROTAC降解BRD4的100倍活性。

然而,最近报道了BET降解剂的脱靶现象,研究发现其可以降解TRIM24(该蛋白也包含一个溴结构域)。

三、降解蛋白激酶

PROTACs还可以降解除BET家族蛋白之外的其它蛋白。2016年,设计了降解Akt的PROTAC。他们将PCC试剂连接上细胞穿透肽,使得PROTAC可以进入细胞内部。再用PEG的Linker连接HIF-1α的7肽ALAPYIP。该PROTAC被证明可促进癌细胞中Akt的快速降解。

接下来,Lai等人设计了一种PROTAC,利用含CRBN或VHL的E3来降解c-ABL和BCR-ABL。该PROTAC的目标蛋白连接端使用的是抑制剂imatinib,bosutinib和dasatinib。

2017年,Robb等人设计的PROTAC利用含CRBN的E3成功诱导了CDK9的降解。研究者发现该PROTAC在HCT116细胞中选择性地降解CDK9而不影响其他CDK家族成员。还有课题组使用天然产物汉黄芩素设计了PROTAC成功降解了CDK9。汉黄芩素是CDK9抑制剂Flavopiridol的类似物。

2018年,Zhang等人使用ALK抑制剂设计了降解ALK的PROTACs。这些PROTAC分别被命名为MS4077和MS4078。试验表明,这两种PROTACs显著降低了SU-DHL-1(淋巴瘤)和NCI-H2228(肺癌)细胞系中ALK融合蛋白的水平。

Kang等人设计了另一种降解ALK的PROTAC。试验证明,利用VHL构建的PROTAC在小鼠体内可以降解ALK蛋白。

另外,有研究者发现其设计的降解ALK的PROTAC还促进了其它激酶如PTK2、AuroraA、FER和RPS6KA1的降解。

目前,PROTACs可以降解的激酶蛋白有RAR、PI3K、CRABPI/II、ALK4、Smad3、CDK9、HDAC6、Sirt2、BTK、CK2和TBK1等。大多数激酶是细胞定位或核定位的。但对于PROTAC是否真的降解了EGFR,还需进一步论证。为了检验这种可能性,Crews博士研究组将EGFR抑制剂Iapatinib与VHL配体连接起来设计了一种PROTAC,用于降解EGFR、HER2和c-Met。有趣的是,该PROTAC诱导了EGFR的内化,但却是通过溶酶体降解的。

四、展望

虽然PROTACs用于药物开发前景广阔,但存在的问题阻碍了其临床应用。这些问题包括脱靶、低细胞渗透性、不稳定性、不易合成和超大的分子量。好消息是,许多研究机构开始以不同的方式克服这些问题。如缩短PROTAC的新战略:点击形成PROTAC(TCLIPTAC)。这是将大的PROTAC分子分离成两个部分,一部分是四嗪标记配体结合目标蛋白,另一部分是反式-环辛烯标记配体识别E3。它们能够在细胞中“点击”以形成PROTAC。点击反应使得在体外的PROTAC前体合成更简单,渗透性更好,分子更稳定。总之,PROTAC技术正在快速发展,必将成为药物开发的主流方法。

 

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