PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶

chem 2009 0
PROTACs是一门新兴治疗方式,吸引了国内外众多药企的布局,包括默克、基因泰克、辉瑞、诺华、Arvinas、C4 Therapeutics、海思科、开拓药业和百济神州等。

目前大约有20种进入临床,其中Arvinas的ARV-471进展最快,处于临床3期。进入临床的PROTACs大多以CRBN配体来设计而得,因为CRBN配体的分子量小,更易于优化成药性。

但是CRBN配体容易引起脱靶,降解neo-substrate带来一些脱靶毒性,为了提高基于CRBN配体的PROTACs的选择性,人们对CRBN配体进行了结构修饰,包括甲氧基取代的CRBN配体和改变连接链位置以及类型等




1

PROTACs的设计、优点以及进入临床的PROTACs


靶向蛋白降解嵌合体(PROTACs)也称为异双功能降解剂,是一种新兴的治疗方式。PROTAC由靶蛋白的配体,E3 泛素连接酶小分子配体和连接链组成。PROTAC可以招募E3泛素连接酶与目标蛋白形成一个三元复合物,诱导靶蛋白泛素化,进而导致其被蛋白酶体降解。


PROTACs的设计可以描述为一个四个阶段的线性系统过程,根据每个步骤的特定目标按顺序设计。第1阶段为识别选择性靶标结合部分(TBM),第2阶段为优化TBM活性和选择性,在第3阶段为评估E3连接酶结合部分(EBM)以及在第4阶段中优化连接链。根据每个阶段的结果,可以进行迭代过程以重新优化早期设计元素(图1[1]


PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶  第1张

图1. PROTACs的典型药物发现模式


PROTACs的发现有望克服传统小分子抑制剂的一些局限性。PROTAC诱导的降解是形成具有泛素化能力的三元复合物,而不依赖于直接阻断一个活跃的位点。因此,可以使用PROTACs降解那些有小分子结合配体,但这些小分子疗效不佳的靶标蛋白,扩展了可成药靶标。PROTACs还具有催化作用,避免了像小分子长时间占有才能发挥药效。而且PROTACs是降解整个蛋白,可以破坏蛋白质的酶和非酶功能(例如支架)或转录功能,而不是单单抑制蛋白的活性,可以克服传统小分子的耐药性。


由于这些优点,PROTACs吸引了国内外药企纷纷加入布局,不仅包括默克、基因泰克、辉瑞、诺华、勃林格殷格翰等制药巨头,也包括一些新成立的专门开发PROTACs的公司如Arvinas、C4 Therapeutics和Kymera Therapeutics等,目前有大约20个降解剂进入临床(图2)


PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶  第2张

图2. 已经进入临床研究的降解剂


2

CRBN的脱靶效应


E3泛素连接CRBN已被广泛用于降解剂的设计,常见的CRBN配体包括:免疫调节药物沙利度胺、来那度胺和泊马度胺(图3)


PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶  第3张

图3. 沙利度胺、来那度胺和泊马度胺的结构


与VHL相比,CRBN配体的分子量小,更易于优化成药性,因此进入临床实验的PROTACs大多数是基于CRBN配体设计的。但它们普遍存在一个选择性的问题。


免疫调节药物结合到CRBN蛋白C端的疏水口袋后,CRBN配体可作为分子胶在CRBN上诱导形态表面改变并导致招募、泛素化和随后被蛋白酶体降解一些neo-substrate,如 Ikaros (IKZF1),Helios (IKZF2)、Aiolos (IKZF3)、SALL4和GSPT1等,因此使用CRBN配体用于降解剂的常具有脱靶效应,缺少对靶蛋白的选择性。


虽然在某些情况下,降解靶蛋白和neo-substrate可能是有益的,但是降解neo-substrate会导致一些不需要的毒性,如:Ikaros 和 Aiolos 对淋巴细胞发育很重要,SALL4降解与致畸性相关,ZFP91 被证明是对 T 细胞功能很重要。


降解neo-substrate的原因是CRBN配体的戊二酰亚胺基团结合在CRBN 表面的沙利度胺结合位点的三色氨酸笼中。随后异吲哚酮或邻苯二甲酰亚胺与neo-substrate关键识别序列形成新的相互作用,这个关键识别序列称为结构降解子。这个结构降解子是含有必需甘氨酸残基的 β-发夹环。


许多neo-substrate是Zinc-finger转录因子,它们含有G-loop降解子,这些是很难用传统的小分子靶向的靶点,因为它们缺乏合适的结合口袋。还有一些neo-substrate不是Zinc-finger转录因子但仍含有G-loop降解子。GSPT1 就是这样一个例子。GSPT1的分子胶尽管目前正在进行治疗急性髓系白血病的临床实验。由于其重要的细胞功能,因此敲除GSPT1具有广泛的细胞毒性。GSPT1脱靶降解可能会缩小治疗指数,这对于非肿瘤学适应症尤其重要。


正是由于CRBN配体可以导致脱靶效应,因此越来越多的课题组和公司加入到CRBN配体的改造中,以期提高CRBN的选择性。共晶结构表明泊马度胺的戊二酰亚胺环深埋在CRBN蛋白里,而只有邻苯二甲酰亚胺环易于修饰。



3

通过甲氧基取代的CRBN配体来降低脱靶效应


英国癌症研究院的一个课题组报道了一类沙利度胺类衍生物,它可以不降解neo-substrate,但仍可以用于降解剂的设计上,降解靶蛋白。


他们首先以CC-885为例。CC-885可以降解GSPT1、 IKZF1和IKZF3。在苯环7位引入甲氧基得到化合物2,它与CC-885具有相似的CRBN结合能力,但可以阻断neo-substrate的降解。如图3所示化合物2不降解GSPT1、IKZF1和IKZF3蛋白[2]


PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶  第4张

图3. 甲氧基取代的CRBN配体可以不降解neo-substrate


随后他们将这一类CRBN配体用于BRD9降解剂的设计上。他们首先设计了泊马度胺作为CRBN配体的降解剂(化合物15),和甲氧基取代的泊马度胺作为CRBN配体的降解剂(化合物16)。如图4所示,化合物15和16都具有较好的CRBN结合能力。都可以很好的降解BRD9,但化合物16表现出更好的选择性,不降解neo-substrate。而且他们还做了proteomics实验,只有化合物16选择性的降解BRD9。


PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶  第5张

图4. 用甲氧基取代的CRBN配体设计的PROTACs可以提高降解选择性


4

通过改变取代基的类型和位置来避免脱靶效应


美国的丹娜法伯癌症研究院研究者们分析了14种密切相关的沙利度胺衍生物对GSPT1和IKZF1的降解。他们详细的探究了取代基对活性的影响,研究结果发现4-羟基取代的邻苯二甲酰亚胺都不降解,4-羟基取代的异吲哚啉酮降解IKZF1。


5-羟基取代的异吲哚啉酮和5-羟基取代的邻苯二甲酰亚胺都降解GSPT1而不降解IKZF1,并且5-羟基取代的邻苯二甲酰亚胺降解GSPT1能力强于5-羟基取代的异吲哚啉酮,因此5位取代对GSPT1降解至关重要,正如分子胶CC-885和CC-90009。


5-氨基取代的邻苯二甲酰亚胺和异吲哚啉酮都不降解GSPT1,微弱的降解IKZF1。6位和7位取代都不降解。这些发现也可用于PROTACs的设计上来避免脱靶效应(图5[3]


PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶  第6张

图5. 沙利度胺衍生物


5

通过减少氢键供体以及连接在5位来降低脱靶效应


哈佛大学、麻省理工学院布罗德研究所也在bioRxiv发表了一篇类似的报道。他们基于泊马度胺的改造发现特定位置(C5)的取代显着降低了neo-substrate的降解倾向。


4位,5位取代含有氢键供体都可以导致Zinc-finger 结构域的降解。随后它们在4位、5位进行改造了,合成了一系列化合物。相同的化学结构改造,5位比4位更容易降低Zinc-finger的降解,可能是5位改造更能与Zinc-finger的domain 形成位阻。


它们的结构改造同样也说明了基于泊马度胺的PROTAC用有芳胺连接(其中 NH- 是氢键供体),可诱导Zinc-finger降解,没有氢键供体的PROTAC具有最小的脱靶活性。与之前的报道一致。作者通过在C6位置添加氟基团,氟基团引入可以继续减少Zinc-finger的降解。


最后作者给出了两条主要规则来设计基于泊马度胺的PROTAC,以尽量减少脱靶效应。首先,连接链连接位置尽量选择C5位置;其次,氢键供体不应连接邻苯二甲酰亚胺环(图6[4]


PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶  第7张

图6. 泊马度胺衍生物


类似的。日本的课题组在Nature Communications也发表了类似的工作。他们展示了6位修饰的来那度胺对于控制新底物选择性至关重要,6-氟来那度胺诱导参与抗血液系统癌症活性的IKZF1、IKZF3和CK1α的选择性降解,并显示出对多发性骨髓瘤(MM)和骨髓增生异常综合征(MDS)衍生细胞系的抗增殖作用强于来那度胺,基于6位修饰来那度胺的BET降解剂具有相同的neos-ubstrate选择性(图7[5]


PROTACs改造新策略:CRBN配体修饰大幅降低脱靶  第8张

图7. 来那度胺衍生物



— 总结 
  

沙利度胺和沙利度胺衍生物有两个化学环:戊二酰亚胺和邻苯二甲酰亚胺环。前者结合到CRBN蛋白的C端区域,后者导致neo-substrate的降解。邻苯二甲酰亚胺环的化学修饰对于neo-substrate的选择性至关重要。


参考文献:(上下滑动查看更多)

1.Matthew N. O’Brien Laramy, Suman Luthra, Matthew F. Brown & Derek W. Bartlett, Delivering on the promise of protein degraders, Nature Reviews Drug Discovery | Volume 22 | May 2023 | 410–427


2.Bouguenina, H.;  Scarpino, A.;  O'Hanlon, J.;  Warne, J.;  Wang, H. Z.;  Chan Wah Hak, L.;  Sadok, A.;  McAndrew, P. C.;  Stubbs, M.;  Pierrat, O. A.;  Hahner, T.;  Cabry, M. P.;  Le Bihan, Y.-V.;  Mitsopoulos, C.;  Sialana, F. J.;  Roumeliotis, T. I.;  Burke, R.;  Van Montfort, R. L. M.;  Choudhary, J.;  Chopra, R.;  Caldwell, J. J.; Collins, I., A degron blocking strategy towards improved CRL4CRBN recruiting PROTAC selectivity. ChemBioChem n/a (n/a), e202300351


3.Nowak, R. P.;  Che, J.;  Ferrao, S.;  Kong, N. R.;  Liu, H.;  Zerfas, B. L.; Jones, L. H., Structural rationalization of GSPT1 and IKZF1 degradation by thalidomide molecular glue derivatives. RSC Medicinal Chemistry 2023, 14 (3), 501-506.


4.Nguyen, T. M.;  Sreekanth, V.;  Deb, A.;  Kokkonda, P.;  Tiwari, P. K.;  Donovan, K. A.;  Shoba, V.;  Chaudhary, S. K.;  Mercer, J. A. M.;  Lai, S.;  Sadagopan, A.;  Jan, M.;  Fischer, E. S.;  Liu, D. R.;  Ebert, B. L.; Choudhary, A., Proteolysis Targeting Chimeras With Reduced Off-targets. bioRxiv 2023, 2021.11.18.468552.


5.Yamanaka, S.;  Furihata, H.;  Yanagihara, Y.;  Taya, A.;  Nagasaka, T.;  Usui, M.;  Nagaoka, K.;  Shoya, Y.;  Nishino, K.;  Yoshida, S.;  Kosako, H.;  Tanokura, M.;  Miyakawa, T.;  Imai, Y.;  Shibata, N.; Sawasaki, T., Lenalidomide derivatives and proteolysis-targeting chimeras for controlling neosubstrate degradation. Nature Communications 2023, 14 (1), 4683.

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~