自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs

chem 32018 0

PROTAC技术在药物发现领域可谓风靡一时。数十家小型生物技术公司已经建立 PROTAC 技术平台,几乎每一个大型制药公司都有利用 PROTAC技术的项目在进行。但 PROTAC 并不是唯一的蛋白质降解平台,还有 LYTAC 、O’ PROTAC 和 AUTAC 。



01

PROTACs

PROTACs(Proteolysis Targeting Chimera),是靶向嵌合体的蛋白水解技术。一个PROTAC 分子将靶蛋白(感兴趣的蛋白,protein of interest,POI )和 E3 泛素连接酶在一起,这两种蛋白的接近触发了泛素分子从 E2 连接酶迁移到目标蛋白。一旦有足够数量的泛素分子附着在目标蛋白上,目标蛋白就会被蛋白酶体识别,蛋白酶体就会进入继而降解目标蛋白。

 

自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第1张

 
2001年,克雷格·克鲁斯教授(Craig Crews)和同事雷蒙德·德沙伊斯(Raymond Deshaies)共同开创了这一革命性的技术[1]。他们第一次使用的PROTEC分子的E3连接酶配体是一个10个氨基酸的短肽,因此它低效能(微摩尔级)、细胞渗透性差和代谢不稳定。
 
在短短二十年的时间里,克鲁斯教授和其他科学家在这一领域取得了巨大的进步。Avinas公司是克鲁斯教授创建的,发现了两种口服生物利用度较好的PROTAC分子,已成功完成Ⅱ期临床试验。它们是ARV-471,一种雌激素受体(ER) PROTAC分子,用于治疗乳腺癌,和ARV-110,一种雄激素受体(AR) PROTAC分子,用于治疗前列腺癌。
 
2021年7月,辉瑞公司(Pfizer)斥资24亿美元,与Arvinas共同开发ARV-471。
 
自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第2张
 
如果你问我,我会说克鲁斯教授应该获得诺贝尔奖。

PROTACs王国里有同质PROTACs(homo-PROTACs)、异二聚PROTACs(hetero-dimerizing PROTACs)和卤素PROTACs (halo-PROTACs)
 
同质PROTAC 分子,其连接子两端连接着相同的 E3 连接酶配体,因此只有同一个 E3 链接酶被降解[2]。异二聚PROTAC分子,其连接子两端连接着两个不同的 E3 连接酶配体,因此其中一个 E3 连酶被优先降解[3]
 
最后一个,卤素PROTAC分子,其连接子一端连接E3 连接酶配体,另一端连接卤素标签,如氯。卤素PROTACs 可以作为一种有用的遗传工具,因为它们化学敲低问题蛋白质[4]

自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第3张


遗憾的是,PROTACs利用的泛素-蛋白酶体系统( UPS )只适用于细胞内可溶性蛋白质。如果我们想要降解细胞外蛋白质和膜相关蛋白(40 %的蛋白质编码基因产物),还需要其他类型的蛋白质降解器。



02

PROTACs之外

受了PROTACs 的启发,世界各地的科学家们已经探索了简单 PROTAC以外蛋白质降解技术。PROTAC分子附着在单克隆抗体上,形成 mAb-PROTAC偶联物[5]。PROTAC分子附着在 RNA 分子上,形成 RNA-PROTAC 偶联物[6]
 
基于寡核苷酸的PROTACs形成 O ’PROTAC, 用来降解 DNA 结合蛋白[7]。斯坦福大学的 Carolyn Bertozzi 教授开创了溶酶体靶向嵌合体( LYTACs ),它能够降解溶酶体内的致病蛋白[8,9]。她甚至成立了一家名为 LYCIA Therapeutics 的公司,来投资她发明的 LYTAC 。
 

自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第4张

 
科学家的创造力是无限的。我相信未来会有越来越多的新型蛋白质降解平台出现。



03

AUTACs

如前所述, AUTACs是自噬靶向嵌合体(Autophagy-Targeting Chimeras)

有人可能会问:“什么是自噬?” 
 

自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第5张


自噬(Autophagy)是人体生化机制中的另一个主要的降解系统。1993年,两名日本科学家发现了自噬相关基因[10]。Auto-在希腊语中是“自我”的意思,-phagy 在生物学中表示“进食”或“消耗”。因此,自噬或巨自噬是在饥饿或某些疾病中发生的代谢过程,消耗人体自身的组织。
 
如下图所示,我们可以想象一个致病蛋白含有一个吞噬泡。一旦吞噬泡成长为自噬体,就会被溶酶体识别,这导致两个分子的融合,继而产生自噬体与溶酶体的融合,致病蛋白的降解。

自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第6张


AUTAC 是一个双功能分子,其连接子一端与靶蛋白( POI )连接,另一端与自噬招募标签相连。2019 年,这个概念由一个日本研究团队[11]和一个中国研究团队[12]分别提出。
 
Takahashi 和同事们在东北大学 (Tohoku University) 开发了 AUTACs 作为货物特异性降解器。他们使用了选择性自噬,尝试使用cGMP(半胱氨酸- S -鸟嘌呤)作为异双功能降解剂的降解单元。通过大量的努力来优化的降解标签(鸟嘌呤衍生物)的效率,核糖部分的cGMP被 9 -对氟苄基取代。
 
AUTACs 使用这种新的标签(对氟苄基鸟嘌呤[FBnG]标签 )不仅降低了某些胞浆蛋白的水平,而且通过选择性自噬(线粒体自噬)成功地清除了功能失调的线粒体[11]

自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第7张


上述的适配器介导的机制的发现,刺激了蛋白降解器朝着两个不同的路径发展。

一条路径是降解器替代自噬适配器的功能。Lu 和复旦大学的同事们开发了这样一种分子胶,命名为自噬体锚定化合物( ATTEC ),它连接吞噬泡蛋白 LC3(一种关键的自噬体蛋白)和突变的亨廷顿蛋白( mHTT )[12]

自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第8张


另一条路径与适配体介导的选择性自噬有关。Frontier Medicines 是一家小型生物技术公司,最近在南旧金山成立。它使用了一种带有弹头的共价粘合剂,靶向自噬适配器 p62,它是一种异质生物功能型降解器[13]
 
从本质上讲, PROTACs的E3 泛素连接酶配体被替换为 AUTACs 的自噬招募标签。在我心目中, AUTACs 和 Bertozzi 教授的 LYTACs 还是蛮像的。
 

自噬靶向嵌合体(AUTAC)——PROTACs, LYTACs, O’PROTACs, 和AUTACs  第9张


总之, AUTACs 是PROTAC 的补充,扩充了我们用来降解致病蛋白的工具。然而,我们对自噬的货物选择性的理解仍然有限。尚且需要更多的研究,直到我们可以合理地设计基于自噬的蛋白质降解。
References
1.Crews, C. M.; Deshaies, R. J. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 8554–8559. 
2.Steinebach, C.; Lindner, S.; Udeshi, N. D.; Mani, D. C.; Kehm, H.; Köpff, S.; Carr, S. A.; Gütschow, M.; Krönke, J. ACS Chem. Biol. 2018, 13, 2771−2782.
3.Girardini, M.; Maniaci, C.; Hughes, S. J.; Testa, A.; Ciulli, A. Bioorg. Med. Chem. 2019, 27, 2466−2479.
4.Buckley, D. L.; Raina, K.; Darricarrere, N.; Hines, J.; Gustafson, J. L.; Smith, I. E.; Miah, A. H.; Harling, J. D.; Crews, C. M. ACS Chem. Biol. 2015, 22, 1831−1837. 
5.Burgess, K. ChemMedChem 2020, 15, 1–4. 
6.Ghidini, A.; Cléry, A.; Halloy, F.; Allain, F. H. T.; Hall, J. Angew. Chem Int. Ed. 2021, 60, 3163–3169. 
7.Shao, J.; Yan, Y.; Ding, D.; Wang, D.; He, Y.; Pan, Y.; Yan, W.; Kharbanda, A.; Li, H.-y.; Huang, H. BioRxiv 2021, doi.org/10.1101/2021.03.08.434493.
8.Banik, S. M.; Pedram, K.; Wisnovsky, S.; Ahn, G.; Riley, N. M.; Bertozzi, C. R. Nature 2020, 584, 291–297. 
9.Pei, J.; Wang, G.; Feng, L.; Zhang, J.; Jiang, T.; Sun, Q.; Ouyang, L. J. Med. Chem. 2021, 64, 3493–3507.
10.Tsukada, M.; Ohsumi, Y. FEBS Lett. 1993, 333, 169–174.
11.Takahashi, D.; Moriyama, J.; Nakamura, T.; Miki, E.; Takahashi, E.; Sato, A.; Akaike, T.; Itto-Nakama, K.; Arimoto, H. Mol. Cell 2019, 76, 797–810.e10.
12.Li, Z.; Wang, C.; Wang, Z.; Zhu, C.; Li, J.; Sha, T.; Ma, L.; Gao, C.; Yang, Y.; Sun, Y.; et al. Nature 2019, 575, 203–209.
13.Key review: Takahashi, D.; Arimoto, H. Cell Chem. Biol. 2021, 28, 1061–1071. 

发布评论 0条评论)

您需要 登录账户 后才能发表评论

还木有评论哦,快来抢沙发吧~