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Science深度:癌症靶向治疗新思路“降解垃圾蛋白”

来源:药明康德(微信号:WuXiAppTecChina) 2017-04-12 10:18

在目前的癌症靶向药物里,占主导地位的是针对致癌蛋白的小分子或单抗抑制剂。不过,随着时间的推移,许多癌细胞会对这类药物产生抗药性,比如说产生新的突变,或者激活其它致癌蛋白。过去15年来,一些研究人员在寻找其它的抗癌途径时,将目标瞄准了细胞内的“清洁工”——泛素-蛋白酶体系统。泛素-蛋白酶体系统负责清理细胞中无用或者有害的蛋白,通过激活这个系统特异性的清理致癌蛋白,有望恢复细胞内的蛋白质稳态,阻止癌症的发生。近日,《科学》杂志刊登长文,回顾并展望了以泛素-蛋白酶体为目标的抗癌药物研发。

抗癌药物的新模式:诱导蛋白降解

许多癌症靶向新药都是针对致癌蛋白。这些小分子药物通常都结合在那些致癌蛋白的活性位点以抑制其活性。对于这种模式的药物来说,持续结合在蛋白的活性位点对于维持其疗效是必需的。而这些致癌蛋白中有许多是活性部位结构相似的激酶,使用高剂量的小分子药物很有可能带来非特异性的副作用。



▲作用于蛋白质降解机制的抗癌药物(图片来源:《科学》)

诱导蛋白降解是最近兴起的一种新的抗癌机制。理论上,只需要小分子药物短暂地与致癌蛋白结合,给致癌蛋白打上“需要清理”的标签就可以了。这些药物不需要很高的浓度,可以循环使用,并且蛋白被降解后需要重新合成才能恢复功能,这就极大地推迟了抗药性的产生。

通过泛素-蛋白酶体系统降解蛋白分为几步,先由E3连接酶给目标蛋白加上一个泛素蛋白的标签,然后蛋白会经过多轮泛素化后带有多个泛素标签,多聚泛素化之后的蛋白会被26S蛋白酶体识别并被降解。

可以同时抑制蛋白活性和促进蛋白降解的小分子药物

研究显示,一些被用作抑制致癌蛋白活性的小分子药物同时能够促进目标蛋白的降解。比如说canertinib是一个酪氨酸激酶ErbB-2的抑制剂,ErbB-2在多种癌症内有表达,而canertinib可以增加ErbB-2的多聚泛素化以促进其降解。ERα的抑制剂fulvestrant是另一个例子,它也可以促进ERα的降解。在携带ERα的乳腺癌患者中,fulvestrant比另一个没有促进蛋白降解作用的ERα抑制剂tamoxifen的疗效更好。对于急性早幼粒细胞白血病非常有效的药物三氧化二砷,同样可以促进在该病患者中常见的融合致癌蛋白PML-RARα的降解。



▲Canertinib(左)、fulvestrant(中)和lenalidomide(右)分子结构

(图片来源:维基百科)

最近开发的用于多发性骨髓瘤的免疫疗法药物lenalidomide,也被发现可以诱导激酶CK1α和两个在多发性骨髓瘤中非常重要的转录因子Ikaros和Aiolos的泛素化和降解。这些药物的成功引起了整个行业对于促使蛋白降解的药物的兴趣。不过,人们在偶然的情况下,才发现这些药物有增加蛋白降解的功能。如何针对蛋白降解系统有针对性地设计药物仍然是一个挑战。

蛋白裂解靶向嵌合体(PROTAC)技术

在自然情况下,E3泛素连接酶需要一个特殊的识别信号来招募并泛素化它的目标蛋白。而PROTAC技术的出现使E3泛素化任何一个蛋白成为可能。这项技术设计一个双重功能的分子,其一端可以结合目标蛋白,另一端结合E3连接酶,并将两者形成一个聚合物。此时E3就能够泛素化目标蛋白并引导其进入降解通路。


▲E3连接酶复合物(图片来源:《Biochemical Journal》)



第一代的PROTAC分子成功地在体外实验中将在乳腺癌和前列腺癌中有重要作用的雌激素和雄激素受体泛素化并降解。不过,第一代PROTAC是一个多肽,由于其穿透细胞的效率很低,因此其效果不佳。后续的研究致力于开发真正的小分子PROTAC,这项努力通过一个E3连接酶的小分子配体nutlin得以实现。通过将nutlin与一个雄激素受体的小分子调节剂连接起来,成功地在宫颈癌细胞系HeLa中选择性降解了雄激素受体。其它研究团队陆续合成了能够选择性降解致癌蛋白HIFα,ERRα和RIPK2等的PROTAC小分子。

PROTAC的未来发展

综上所述,PROTAC分子有三个基本组成部分:一个目标蛋白的配体、一个E3连接酶的配体和一个连接物。一个成功的PROTAC分子需要优化所有三个组成部分。尽管人有超过700种不同的E3连接酶,其中几种在癌细胞中主要的酶都已经有了小分子配体,比如说CRBN的配体有thalidomide、lenalidomide和pomalidomide,cIAP1和MDM2的配体有methyl bestatin(MeBS)和nutlin。

除了目标蛋白的配体和E3连接酶的配体之外,两者之间的连接物也非常重要,其长度、亲疏水程度和刚性都对PROTAC的功能很重要。最近的一些研究显示出了连接物中一个小变化也能对整个PROTAC的功能产生很大的影响。



▲PROTAC技术基本模式(图片来源:《ACS Chemical Biology》)

BCR-ABL是导致慢性髓细胞白血病的主要原因,它是一个融合后产生的致癌的酪氨酸激酶。尽管已经有包括imatinib、bosutinib和dasatinib等小分子药物可以抑制其活性,但部分患者会产生抗药性。于是有科研人员基于这些药物,试图通过连接这些药物和CRBN的配体pomalidomide或者另一个连接酶VHL的小分子配体,来制造PROTAC。他们测试了4个不同的连接物,其中一个因影响了与BCR-ABL的结合而失败,基于imatinib的PROTAC成功地结合了BCR-ABL但是并不能诱导其降解。Dasatinib-CRBN和bosutinib-CRBN取得了最好的效果,成功地降解了BCR-ABL,但是bosutinib-VHL却没有能够做到这一点。这些数据显示,PROTAC三个组成部分中的任何一个部分出现变化都会改变整个分子的功能。


诱导蛋白降解的其它策略

除了PROTAC之外,还有一些具有潜力的策略可以开发促进蛋白降解的小分子药物。其中一种是PROTAC的类似物,这类被称之为SNIPER PROTAC的小分子直接把目标蛋白的配体和E3连接酶的配体融合在一起。其中一个例子是基于cIAP1配体MeBS和视黄酸受体配体全反式维甲酸(ATRA)的杂合物。它可以引导cIAP1泛素化和降解细胞内的视黄酸结合蛋白,这些蛋白在急性早幼粒性白血病和神经母细胞瘤中有重要作用。同样使用SNIPER 技术,通过tamoxifen靶向乳腺癌中的ERα也在体外实验中取得了不错的效果。

另外,基于蛋白质上的疏水基团来吸引泛素-蛋白酶体系统也是一种选择。通常蛋白质中的疏水部分都被包埋在蛋白内部,只有当蛋白质不正常折叠时疏水基团在会被暴露出来。E3连接酶能够自动识别这些疏水基团并降解这些不正常折叠的蛋白。由此,在一个目标蛋白的小分子配体上加上一个疏水基团就可以引来E3连接酶。已经有科研团队将这个想法加以应用,制造出了可以降解HER3和雄激素受体的小分子药物。



▲各种PROTAC小分子及类似物(图片来源:《Biochemical Journal》)


临床前实验中的候选药物

过去两年里,特异和高效地降解关键致癌蛋白的努力取得了长足的进展。BET家族的蛋白,包括BRD4,在包括急性髓细胞白血病、多发性骨髓瘤、卵巢癌和前列腺癌在内的多种癌症的发展中其重要作用。多个BET的小分子抑制已经进入了临床,但是,由于对于下游信号通路的抑制不够充分,以及反馈机制能够上调BRD4基因的表达,这些药物的有效性一般。

美国耶鲁大学(Yale University)的一个团队设计了一个小分子PROTAC药物ARV-825,它通过连接BRD4和CRBN,在细胞实验中可以完全降解BRD4蛋白。这个团队和一家生物科技公司Arvinas还开发了ARV-771,通过VHL来降解BET家族的蛋白。另一个来自美国丹娜法伯癌症研究院(Dana-Farber Cancer Institute)的团队基于BET的小分子抑制剂JQ1设计了另一个小分子PROTAC药物dBET1,这个药物在小鼠的急性髓细胞白血病模型中展示了比JQ1更好的疗效。

结语

靶向蛋白降解最有吸引力的地方在于它可以针对那些传统上认为不可成药的蛋白靶点,这些蛋白可能占了人类蛋白质组的80%以上。由于靶向蛋白降解策略可以通过结合蛋白上的几乎任何一个位点,而不是活性位点,来达到选择性的降解蛋白的目的,因此理论上这个策略可以用于任何一个蛋白质。此外,这个策略的另一个优势是可以对那些已经产生抗药性的发挥作用。最后,靶向蛋白降解在除了癌症以外的其它疾病中也具有相当的潜力。

我们祝愿这一全新的治疗思路能早日带来创新药物,造福广大癌症患者。

参考资料

[1] Waste disposal—An attractive strategy for cancer therapy

[2] Stocking oncology's medicine cabinet

(生物谷Bioon.com)

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