分子胶——除PROTAC外另一靶向诱导蛋白降解的药物

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1991年,中国科学家刘军教授首次发现了一种分子胶(环孢菌素A),那时他正在哈佛大学斯图尔特·施雷伯实验室做博士后。他使用亲和层析技术发现环孢菌素A具有分子胶的功能,该化合物可同时与两种蛋白质结合(环孢菌素A结合蛋白,又称亲环素和钙调节神经磷酸酶)。与此同时,刘军还发现FK506可同时结合FK506结合蛋白-12(FKBP12)和钙调节神经磷酸酶,也具有分子胶的功能[1,2]

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图1 分子胶环孢素A和FK506的结合模式

刘军是我在南京大学的本科同学,现在是约翰霍普金斯大学的著名教授。

离刘军教授首次发现分子胶已经过去了三十年。现在,分子胶已经从最初的学术想法成为了一种创新的靶向蛋白质降解的新药开发技术。

回顾一下过去三十年间我们在分子胶领域所取得的成就吧。



01


 分子胶和PROTACs的异同

 
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图2 分子胶和PROTACs各自的作用模式

一方面,分子胶是诱导、稳定或增强两种蛋白质之间相互作用的小分子化合物。另一方面,分子胶可以拉近靶蛋白和E3连接酶的距离,并诱导靶蛋白的泛素化和降解。由于和PROTACs结构不同,这种“单功能性的”分子胶可以更好的符合Lipinski的类药五原则(Ro5)[3]

以环孢素A(CsA)为例,它是一种非嵌合型的单功能分子胶,不同于双功能的PROTACs。正如图3所示,CsA的顶部(绿色部分)结合亲环素(CypA),分子底部(红色部分)结合钙调节神经磷酸酶(CN)

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图3 环孢菌素A的结合模式

在靶向蛋白降解的概念中,PROTACs是“双价”分子,而分子胶是“单价”支架,二者都可以广泛、直接地诱导目标蛋白与E3连接酶相互作用。PROTACs和分子胶降解剂都会触发邻近诱导事件,并最终诱导目标蛋白的降解。从某些方面来看,单功能的分子胶和双功能的PROTACs产生的效果是一致的,但类型不同,比如 ROTACs还可以诱导广泛的蛋白-蛋白的直接相互作用。

事实上,密歇根大学王少萌教授曾用实例告诉我们,通过简单的结构修饰可以将PROTAC转变为分子胶。

如下所示:MD-222是一种PROTAC分子,可降解MDM2蛋白。因为MDM2是p53肿瘤抑制因子的重要负性调节因子,所以MD-222能有效抑制携带野生型p53的人类癌细胞生长,并且与p53突变或缺失的癌细胞相比,表现出显著的特异性。

令人着迷的是,从结构上看非常类似的MG-277和MD-222有着显著不同的降解靶蛋白的机理。MG-277只中度诱导MDM2降解,不能激活野生型p53,但它却能显著抑制p53非依赖性肿瘤细胞的生长。那是因为MG-277根本不是一种PROTAC降解剂,而是一种分子胶,诱导翻译终止因子(GSPT1)降解以实现其强大的抗癌活性。[4]

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图4 PROTACs型的MD-222转变为分子胶型的MG-277



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 老药也可能是潜在的分子胶


半个世纪前发明的药物——沙利度胺,作为镇静剂被广泛用于孕妇妊娠期呕吐,后被发现具有致畸性,并导致很多婴儿出生缺陷,至此成为历史上最臭名昭著的药物之一。

但是,直到2010年科学家才发现它是如何导致肢体畸形和其它发育缺陷的,那是因为它像分子胶一样诱导致畸蛋白的降解。由伊藤和安藤领导的一组日本科学家鉴定出Cereblon(CRBN)是一种沙利度胺结合蛋白。

事实上,沙利度胺与CRBN上高度保守的三-色氨酸空腔结合,并与受损DNA结合蛋白-1(DDB1)和Cul4A 类型E3泛素连接酶形成E3泛素连接酶复合物,随后诱导新目标蛋白(锌指转录因子)的降解,如:IKZF1、IKZF3、CK1α,和SALL4蛋白。[5]

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 图5 沙利度胺的作用机制

Celgene公司发现并开发的沙利度胺、来那度胺和泊马度胺被用于麻风病和多发性骨髓瘤的治疗,这三种药物都是免疫调节酰亚胺类药物(IMiDs)。2012年,伊藤和安藤领导的小组又发现来那度胺和泊马度胺具有的免疫调节和抗肿瘤增殖活性也是由于和CRBN结合导致。[6,7]

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图6 沙利度胺、来那度胺和泊马度胺的结构

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图7 IMiDs的作用机制

Indisulam最初被认为是一种潜在的抗癌药物,因为它对一些表型筛选的癌细胞具有毒性。最近,Indisulam还被认为是一种分子胶,可增强DCAF15(另一种Cul4底物受体)与一种新底物蛋白(RBM39)的结合,并诱导RBM39泛素化和降解。这合理地解释了Indisulam的抗增殖作用。[8]
 
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图8 Indisulam的作用机制



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 三元复合物作为新的药物开发方法


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图9 分子胶诱导泛素化的过程

分子胶的作用机制也为发现全新类型药物开辟了新途径。到目前为止,靶向蛋白降解中的分子胶降解剂主要依赖于招募E3泛素连接酶。

人类B细胞淋巴瘤因子6(BCL6)是一种非酶类致癌因子,也是一种具有挑战性的药物靶点。它是一种转录抑制因子,在突变或失调时可促进B细胞恶性肿瘤。

勃林格殷格翰公司试图开发BCL6抑制剂,以破坏其与干扰BCL6致癌效应转录抑制因子的相互作用。通过对170万种化合物的高通量筛选,得到了202个活性候选化合物。在其构效关系研究中,观察到一部分化合物诱导BCL6泛素化和蛋白酶体依赖性降解

例如,BI-3812被发现是一种BCL6抑制剂;而BI-3802被发现是BCL6的分子胶降解剂,具有治疗B细胞癌的潜力。BI-3802诱导BCL6的降解程度高于其抑制剂或降解它的PROTACs[9,10]

后来通过冷冻电镜证明了BI-3802这种小分子可以诱导BCL6聚合,增强BCL6和E3连接酶SIAH1之间的相互作用,促进BCL6的降解。且与其他BCL6降解剂产生的影响相比,BI-3802具有更好的药理活性。[11]
 
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图10 BCL6的抑制剂和降解剂

最近,一系列分子被证明可以通过招募CDK12/ cyclin K到Cullin 支架蛋白DDB1,从而从促进cyclin K的降解。

Mayor-Ruiz及其同事最近开发了一种新型分子胶降解剂的发现方法,他们在 E2 突变细胞系和野生型细胞系上分析了大约 2000 种已知的细胞毒性/细胞抑制的化合物,并通过 CRISPR-Cas9 筛选追踪了具有不同活性的化合物,其中重点关注与Cullin ring连接酶及其调节因子相关的化合物。

他们不仅通过鉴定一种分子(该分子类似于Indisulam,通过与Cul4-DCAF15结合诱导RBM39降解)成功验证了其策略,而且还发现了一些新颖的降解剂(可促进CDK12-CyclinK招募Cul4B泛素连接酶形成复合物)[12]

由MIT的Broad研究所和Harvard 大学共同领导的跨大西洋联盟开展了一项数据挖掘研究,结果显示,4518种临床前和临床化合物的细胞毒性数据与几种E3泛素连接酶成分的细胞内表达水平相关。

有趣的是,他们还发现CDK12抑制剂CR8是一种选择性降解Cyclin-K蛋白的小分子化合物,后续还发现该抑制剂结合将CDK12转化为Cul4 类型E3泛素连接酶复合物的底物受体。这导致Cyclin-K蛋白的特异性招募,并诱导其泛素化和降解。这项研究的作者指出,这些由靶向结合小分子诱导的全新相互作用可能是开发各种类型分子胶型降解剂的另一种策略。[13]

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图11  分子胶CR8的结合模式



04


结论


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 图12 分子胶靶向降解蛋白的作用机制

虽然分子胶领域目前仍处于发展初期,但它代表着一种有趣的治疗方法,即利用小分子诱导两个本身不发生相互作用的蛋白质产生相互作用。

由于具有催化作用机制和靶向非酶蛋白的能力,分子胶诱导的靶向蛋白降解可以用于降解之前的“不可成药”蛋白,从而治疗之前无法治疗的疾病。分子胶不再依赖于靶蛋白上可结合的口袋,而是利用靶蛋白和受体之间互补的蛋白-蛋白结合界面,诱导降解先前“不可成药的”蛋白。

然而,分子胶这种分子是罕见的(大部分都是偶然发现的),因此限制了制药企业运用分子胶策略开发新药的潜力。考虑到分子胶之前已被临床验证,且大量的学术和制药工业研究者在该领域做出了不懈的努力。因此,我们应该期待下一个十年在新颖的分子胶开发方面将有令人振奋的发展。[14]

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References

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3. Peel, M.; Scribner, A. Cyclophilin Inhibitors as Antiviral Agents. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2013, 23, 4485–4492.

4. Yang, J.; Li, Y.; Aguilar, A.; Liu, Z.; Yang, C.-Y.; Wang, S. Simple Structural Modifications Converting a Bona fide MDM2 PROTAC Degrader into a Molecular Glue Molecule: A Cautionary Tale in the Design of PROTAC Degraders. J. Med. Chem. 2019, 62, 9471–9487.

5. Ito, T.; Ando, H.; Suzuki, T.; Ogura, T.; HOtta, K.; Imamura, Y.; Yamaguchi, Y.; Handa, H. Identification of a Primary Target of Thalidomide Teratogenicity. Science 2010, 327, 1345–1350.

6. Lopez-Girona, A.; Mendy, D.; Ito, T.; Miller, K.; Gandhi, A. K.; Kang, J.; Karasawa, S.; Carmel, G.; Jackson, P.; Abbasian, M.; et al. Cereblon is a direct protein target for immunomodulatory and antiproliferative activities of lenalidomide and pomalidomide. Leukemia 2012, 26, 2326–2335.

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9. Kerres, N.; Steurer, S.; Schlager, S.; Bader, G.; Berger, H.; Caligiuri, M.; Dank, C.; Engen, J. R.; Ettmayer, P.; Fischerauer, B.; et al. Chemically Induced Degradation of the Oncogenic Transcription Factor BCL6. Cell Reports 2017, 20, 2860–2875.

10. Anon; BI-3802 Promotes Polymerization and Degradation of Oncogenic BCL6. Cancer Discovery 2021, 11, 220.

11. Slabicki, M.; Yoon, H.; Koeppel, J.; Nitsch, L.; Roy Burman, S. S.; Di Genua, C.; Donovan, K. A.; Sperling, A. S.; Hunkeler, M.; Tsai, J. M.; et al. Small-molecule-induced polymerization triggers degradation of BCL6. Nature 2020, 588, 164–168.

12. Mayor-Ruiz, C.; Bauer, S.; Brand, M.; Kozicka, Z.; Siklos, M.; Imrichova, H.; Kaltheuner, I. H.; Hahn, E.; Seiler, K.; Koren, A. Rational discovery of molecular glue degraders via scalable chemical profiling. Nat. Chem. Biol. 2020, 16, 1199–1207.

13. Slabicki, M.; Kozicka, Z.; Petzold, G.; et al. The CDK Inhibitor CR8 Acts as a Molecular Glue Degrader That Depletes Cyclin K. Nature 2020, 585, 293–297.

14. Good review articles: (a) Ash, C.; Smith, J.; Funk, M. A. Bright prospects for molecular glues. Science 2020, 370, 1429–1430. (b) Baek, K.; Schulman, B. A. Molecular glue concept solidifies. Nat. Chem. Biol. 2020, 16, 2–3. (c) den Besten, W.; Lipford, J. R. Prospecting for molecular glues. Nat. Chem. Biol. 2020, 16, 1157–1158. (d) Kozicka, Z.; Thoma, N. H. Haven’t got a glue: Protein surface variation for the design of molecular glue degraders. Cell Chem. Biol. 2021, 28, 1032–1047. (e) Dong, G.; Ding, Y.; He, S.; Sheng, C. Molecular Glues for Targeted Protein Degradation: From Serendipity to Rational Discovery. J. Med. Chem. 2021, 64, 10606–10620. 

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