PROTAC技术详梳理-2-分子与结构机理篇

上篇PROTAC技术详梳理-1-总结篇详细介绍了PROTAC技术在克服耐药和靶向不可成药靶点方面展现出了非常大的潜力，介绍了PROTAC技术的作用原理以及独特的应用价值。同时对目前PROTAC技术领域的龙头企业的布局以及研究情况进行了简略介绍。这一期我们将在分子以及结构层面更加具体的介绍PROTAC技术究竟有哪些不可替代的优势。

小分子药物一般是基于传统占据驱动理论(occupancy-driven，上图B)来阻断蛋白功能，这些小分子包括酶抑制剂，受体拮抗剂等，一般是与体内的内源小分子竞争结合靶点。这就对小分子有非常高的要求，包括必须与靶点的活性位点完美契合，活性要非常高，需要经常给药维持起作用的浓度。反观基于事件驱动理论(event-driven，上图A)的PROTAC技术具有诸多优势，比如可直接干掉靶点，而不是简单抑制，其次是降解靶点的配体分子不一定非要与靶点的活性位点结合，而是只要能和该靶点的其他位置结合都可以(“undruggable” proteins的机会)，而且结合的活性并不一定很高。这就让我想到当时针对某个靶点合成的一堆化合物，那些活性不是特别好的似乎也并不是一无是处了。最后一点，PROTAC分子是具有催化性的，蛋白降解后PROTAC分子可继续发挥作用，所以需要的量很少。

除了小分子以及PROTAC技术，还有通过调控基因层面的方式来治疗疾病。就比如我们所熟知的CRISPR技术以及RNA干扰技术。CRISPR技术具有巨大的潜力，可以修改有缺陷的基因组DNA，尤其是DNA突变，从而有可能治愈某些疾病。CRISPR的第一项临床试验(CTX001，CRISPR Therapeutics公司和Vertex Pharmaceuticals公司)用于治疗β地中海贫血(NCT03655678)和镰刀型细胞贫血症(NCT03745287)，已分别在欧洲和美国开展，但是该方法有潜在的脱靶效应。

另一项RNAi技术，通过破坏特定致病RNA的稳定性被设计用于靶向治疗。并且第一种RNAi药物Onpattro (也称为Patisiran, Alnylam Pharmaceuticals) 于2017年批准，用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性(hATTR)。(Onpattro是一种靶向甲状腺素运载蛋白(TTR)的siRNA疗法，能发挥RNAi对基因的“沉默”效果，通过抑制特定mRNA的表达，有效阻止变异甲状腺素运载蛋白的生成，清除组织里的淀粉样蛋白沉积，恢复组织功能。)然而，脱靶毒性和药物递送效率仍然是一大限制。鉴于CRISPR和RNAi以及其他小分子抑制剂的局限性，PROTAC技术由于其独特的降解靶点蛋白的功能定会引起越来越多的关注。

越来越多的证据表明，PROTACs分子与它们的目标蛋白可以被模拟成三元复合物结合的平衡态，特定配体(PROTAC分子)诱导的分子识别可以表现出显著的协同作用整体性。尽管如此，许多现有的药物设计和优化方案仍然专注于二元靶点的接合(只能一个蛋白一个蛋白的分析和分子的作用模式，不能够三元整体分析，有时候解释的结果可能以偏概全)，原因是三元复合物的结构数据有限。近年来PROTAC分子介导的蛋白质复合物的晶体结构解析成功，更加强调这两个靶蛋白和这个PROTAC小分子三者复合物整体的重要性，下面我们以第一个PROTAC三元复合物晶体结构(VHL-MZ1-Brd4(BD2))，整体介绍一下这个复合物的特性。

17年Gadd等人首次得到了PROTAC分子-MZ1与VHL和Brd4(BD2)结合的晶体结构，这样便可以整体的分析相互作用模式。从下图我们可以看出MZ1结合到由VHL和Brd4(BD2)之间PPIs形成的碗状口袋上。碗状结构的底部由两组非极性相互作用产生(下图b)，而碗状结构的边缘主要是通过互补的静电相互作用(下图d)和Brd4(BD2)和VHL上的侧链之间的盐桥形成的(下图c)。三元复合物(包括PPIs和由于配体折叠而形成的埋藏面积)的总埋藏面积估计为2600平方埃。

▉ 小结

本次我们在分子层面详细介绍了PROTAC技术相比于其他干预蛋白功能的方法(小分子，Crispr和RNAi)的优势以及通过展示三元复合物晶体结构整体分析PROTAC技术的特性，我们认为三元复合物晶体结构的分析将对未来PROTAC技术研发提供重要的研发线索和灵感，感谢阅读。

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