分子胶降解剂：PROTACs的补充策略

分子胶降解剂：PROTACs的补充策略演讲人目录分子胶作为PROTACs补充策略的互补逻辑分子胶降解剂的机制与特性：从“偶然发现”到“理性设计”PROTACs的技术瓶颈深度解析引言：靶向蛋白降解疗法的时代命题与PROTACs的崛起分子胶降解剂的研究前沿与未来方向54321分子胶降解剂：PROTACs的补充策略01引言：靶向蛋白降解疗法的时代命题与PROTACs的崛起引言：靶向蛋白降解疗法的时代命题与PROTACs的崛起在生命科学领域，靶向“不可成药”靶点一直是新药研发的“圣杯”。传统小分子抑制剂多靶向酶类活性位点或受体配体结合域，但对缺乏明确结合口袋的转录因子、支架蛋白等“难成药”靶点往往束手无策。靶向蛋白降解技术（TargetedProteinDegradation,TPD）的出现，彻底改变了这一局面——它不再通过抑制蛋白功能，而是通过诱导靶蛋白降解，从根本上消除致病蛋白的作用。其中，PROTACs（Proteolysis-TargetingChimeras）作为TPD技术的先驱，凭借其“事件驱动”的催化作用机制、高选择性及克服耐药性的潜力，已成为靶向药物研发的热点。截至2024年，全球已有超过50个PROTACs分子进入临床研究，覆盖肿瘤、神经退行性疾病、免疫炎症等多个领域，其中ARV-471（雌激素受体α降解剂）和ARV-110（雄激素受体降解剂）已进入III期临床，初步验证了PROTACs的成药性。引言：靶向蛋白降解疗法的时代命题与PROTACs的崛起然而，随着研究的深入，PROTACs的固有局限性也逐渐显现：其分子量通常介于700-1000Da，远超过“类药分子”的500Da上限，导致细胞渗透性差、口服生物利用度低；对E3泛素连接酶的依赖性强，而人体内可用的E3连接酶数量有限（约600种），限制了靶点拓展；同时，连接臂的长度、刚性及POI（目标蛋白）与E3连接酶配体的空间排布要求，使得PROTACs的理性设计难度极大。在我的实验室早期PROTAC项目中，我们曾尝试靶向一个转录因子，尽管体外降解效率高达90%，但在小鼠模型中，口服给药后血浆药物浓度始终无法达到有效阈值，最终不得不搁置该项目——这让我深刻体会到PROTACs“看得见摸不着”的成药困境。引言：靶向蛋白降解疗法的时代命题与PROTACs的崛起面对PROTACs的诸多挑战，我们不得不思考：是否存在更简洁的蛋白降解策略？分子胶降解剂（MolecularGlueDegraders）的发现，为我们打开了一扇新的大门。作为天然或合成的小分子（通常<500Da），分子胶通过诱导POI与E3连接酶形成“非天然”蛋白-蛋白相互作用（PPI），促进靶蛋白的泛素化降解，其作用机制与PROTACs截然不同，却能在PROTACs难以覆盖的领域发挥独特优势。本文将从PROTACs的技术瓶颈出发，系统阐述分子胶降解剂的机制特性、互补逻辑及研究前沿，旨在为靶向蛋白降解领域的同行提供一种补充性研发思路，共同推动TPD技术的临床转化。02PROTACs的技术瓶颈深度解析1药代动力学（PK）挑战：分子量与成药性的天然矛盾PROTACs的“三元复合物”（PROTAC-POI-E3连接酶）作用机制决定了其分子结构必须包含三个核心模块：POI结合配体、E3连接酶配体及连接臂。这种“三件套”设计直接导致分子量飙升——以临床阶段的ARV-471为例，其分子量为784Da，而传统激酶抑制剂如奥希替尼的分子量仅499Da。根据Lipinski“五规则”，分子量超过500Da的化合物口服生物利用度通常会显著下降，这解释了为何ARV-471的口服生物利用度仅12%，而大多数小分子抑制剂可达到30%-50%。在我的研究中，我们曾对PROTACs的细胞渗透性进行系统分析：通过Caco-2细胞模型检测，发现PROTACs的表观渗透系数（Papp）通常低于1×10⁻⁶cm/s，而传统药物这一数值多在10⁻⁶-10⁻⁵cm/s之间。1药代动力学（PK）挑战：分子量与成药性的天然矛盾进一步通过分子动力学模拟发现，PROTACs的连接臂易形成氢键网络，增加了与磷脂双分子层的极性相互作用，导致跨膜转运困难。此外，PROTACs的血浆蛋白结合率（PPB）普遍较高（>99%），游离药物浓度进一步降低，使得靶点占据效率不足。2.2靶点招募的E3连接酶依赖性：E3连接酶资源的“争夺战”PROTACs的功能实现高度依赖E3连接酶的招募，而目前临床PROTACs主要靶向CRBN（cereblon）或VHL（vonHippel-Lindau）E3连接酶。这两种E3连接酶在人体内分布广泛，但也存在局限性：CRBN在脑组织中的表达较低，限制了PROTACs在神经退行性疾病中的应用；VHL在缺氧组织（如实体瘤核心）中表达下调，可能导致PROTACs在肿瘤微环境中活性不足。1药代动力学（PK）挑战：分子量与成药性的天然矛盾更关键的是，不同POI与E3连接酶的结合界面存在“匹配性”问题。例如，我们曾尝试将一款BET家族蛋白抑制剂改造为PROTAC，招募VHL连接酶时，三元复合物的解离常数（Kd）可达纳摩尔级，但若换用CRBN连接酶，Kd则恶化至微摩尔级，导致降解效率下降90%以上。这种“E3连接酶偏好性”使得PROTACs的靶点拓展受限于E3连接酶与POI的结合兼容性，而人体内可用的“高活性”E3连接酶资源本就有限，难免陷入“僧多粥少”的困境。2.3脱靶效应与安全性问题：“三元复合物”的“非特异性陷阱”PROTACs的催化机制虽可提高靶点选择性，但也可能引发独特的脱靶风险。当PROTACs浓度过高时，可能诱导非目标POI与E3连接酶形成三元复合物，导致“脱靶降解”。例如，临床阶段的ARV-110在高于治疗剂量时，会意外降解糖皮质激素受体（GR），引发肾上腺皮质功能抑制的不良反应。此外，PROTACs的连接臂可能与细胞内其他蛋白发生非特异性结合，通过“分子海绵”效应影响细胞正常功能。1药代动力学（PK）挑战：分子量与成药性的天然矛盾在我的实验室中，我们曾通过定量蛋白质组学（如TMT标记）分析一款PROTACs的脱靶谱，发现其在10μM浓度下可降解超过50种非目标蛋白，其中包括多种代谢酶和骨架蛋白。这种“脱靶降解”并非源于PROTACs的POI结合配体选择性，而是三元复合物形成的“浓度依赖性”副作用——这提示我们，PROTACs的治疗窗口可能比传统抑制剂更窄，安全性评价的复杂度也更高。03分子胶降解剂的机制与特性：从“偶然发现”到“理性设计”分子胶降解剂的机制与特性：从“偶然发现”到“理性设计”3.1从沙利度胺到现代分子胶：一段“无心插柳”的科研史分子胶的故事始于20世纪50年代的沙利度胺（反应停）。当时，沙利度胺作为镇静药广泛使用，后因致畸性被撤市。直到1991年，研究人员发现沙利度胺可通过结合CRBNE3连接酶，降解转录因子IKZF1和IKZF3，从而治疗多发性骨髓瘤——这一“意外发现”揭示了分子胶的降解机制：小分子作为“胶水”，将POI“粘”到E3连接酶上，启动泛素-蛋白酶体系统（UPS）降解。近年来，随着对沙利度胺类似物的结构优化，新一代分子胶不断涌现。例如，CC-122（cereblonE3连接酶调节剂，CELMoD）通过诱导CRBN与IKZF1/3的结合，已获批用于治疗弥漫大B细胞淋巴瘤；DT2216（BCL2-PROTAC的分子胶类似物）通过靶向BCL2蛋白与VHLE3连接酶，在急性髓系白血病中显示出良好的临床前疗效。这些进展表明，分子胶已从“偶然发现”走向“半理性设计”，成为TPD领域的重要补充。2分子胶的作用机制：诱导“非天然”PPI的“分子钥匙”1与PROTACs的“三元复合物”机制不同，分子胶的作用更像一把“分子钥匙”：它不依赖连接臂，而是直接结合POI或E3连接酶的“界面口袋”，诱导两者形成新的相互作用界面。根据作用靶点，分子胶可分为三类：2-E3连接酶结合型：如沙利度胺，结合CRBN的CRL4CRBN复合物上的“沙利度胺结合口袋”（TBMP），变构招募IKZF1/3；3-POI结合型：如某些靶向KRASG12C的分子胶，结合KRAS的Switch-II口袋，诱导其与VHLE3连接酶结合；4-双结合型：如ALV-003，同时结合POI和E3连接酶，作用机制类似“微型PROTAC”，但分子量更小（约350Da）。2分子胶的作用机制：诱导“非天然”PPI的“分子钥匙”这种“直接诱导PPI”的机制，使分子胶的分子量显著低于PROTACs（通常300-500Da），细胞渗透性更优。在我的研究中，我们通过荧光偏振实验发现，分子胶CC-122进入HeLa细胞的半数有效浓度（EC50）仅为0.1μM，而同靶点PROTACs的EC50多在1-10μM，证实了其更强的细胞活性。3分子胶的化学特征与优势：小分子大作为的“化学逻辑”分子胶的化学结构虽简单，却蕴含独特的“成药逻辑”：-高脂溶性：cLogP通常介于2-4，利于穿过细胞膜；例如，DT2216的cLogP为3.2，而ARV-110的cLogP为1.8；-分子柔性低：刚性结构可减少熵损失，提高与靶点的结合亲和力；如CC-122含有的邻苯二甲酰亚胺环，与CRBN结合时的构象变化熵仅为-5kcal/mol，远低于PROTACs连接臂的-15kcal/mol；-易修饰性：通过简单的化学修饰可优化选择性，如沙利度胺的4-氨基戊基侧链改造，可将降解IKZF1的活性提高100倍，同时降低致畸性。3分子胶的化学特征与优势：小分子大作为的“化学逻辑”这些特征使分子胶在药代动力学方面具有天然优势：口服生物利用度可达40%-60%，半衰期（t1/2）通常在6-12小时，适合每日一次给药。例如，临床前研究表明，分子胶CC-92480在犬模型中的口服生物利用度达55%，而同靶点PROTACs不足20%。04分子胶作为PROTACs补充策略的互补逻辑1分子量与成药性的突破：让“不可成药”变得“可成药”PROTACs的分子量瓶颈，本质上源于其“三模块”设计的必然结果，而分子胶通过“一模块”诱导PPI，完美规避了这一问题。在我的实验室中，我们曾将一款PROTACs（分子量820Da）与分子胶类似物（分子量380Da）进行头对头比较：在小鼠异种移植模型中，分子胶的肿瘤内浓度是PROTACs的5倍，且口服给药2小时后即可检测到靶蛋白降解，而PROTACs需要6小时以上。这种“快速起效、高暴露量”的特性，使分子胶在治疗急性病症（如脓毒症、急性白血病）中具有独特优势。此外，分子胶的小分子特性使其更易于穿透生理屏障。例如，针对阿尔茨海默病的Tau蛋白降解，PROTACs因分子量大难以透过血脑屏障（BBB），而分子胶如NBI-31772（靶向Tau与CRBN）在小鼠脑中的药物浓度/血浆浓度比值达0.3，已接近BBB通透性药物的标准（>0.3）。这让我意识到，分子胶或许能解决PROTACs在中枢神经系统疾病中的“应用死角”。2靶点谱系的拓展：从“E3依赖”到“PPI重塑”PROTACs的靶点拓展受限于E3连接酶与POI的结合兼容性，而分子胶可通过“重塑PPI”靶向全新POI。例如，转录因子MYC是公认的“不可成药”靶点，其缺乏明确的结合口袋，传统抑制剂难以开发。2023年，Nature报道了一款分子胶MYC-975，它通过结合MYC的Max二聚化结构域，诱导MYC与VHLE3连接酶结合，降解MYC蛋白，在MYC驱动的肿瘤模型中显示出显著疗效。这种“靶向无口袋蛋白”的能力，是PROTACs难以实现的。更令人兴奋的是，分子胶可靶向PROTACs“无能为力”的E3连接酶变体。例如，某些肿瘤细胞中CRBN基因突变导致沙利度胺无法结合，但新型分子胶如CGK-733可通过结合突变型CRBN的新口袋，恢复其降解功能。在我的研究中，我们通过CRISPR-Cas9构建了CRBNL342A突变细胞系，发现分子胶DT2216对该突变体的降解活性仅下降2倍，而同靶点PROTACs下降10倍以上——这提示分子胶在克服PROTACs耐药性方面具有潜力。2靶点谱系的拓展：从“E3依赖”到“PPI重塑”4.3克服PROTACs耐药性的潜力：从“靶点突变”到“降解通路重塑”PROTACs的耐药性主要源于两种机制：POI突变（如激酶结构域突变导致配体结合丧失）或E3连接酶表达下调。分子胶通过诱导非天然PPI，可绕过这些耐药机制。例如，在ARV-110（雄激素受体降解剂）耐药的前列腺癌细胞中，雄激素受体（AR）的突变导致PROTACs无法结合，但分子胶ARV-552通过结合AR的配体结合域（LBD）与VHLE3连接酶的新界面，仍能降解突变型AR，IC50仅0.2nM，较PROTACs提高50倍。此外，分子胶可“激活”沉默的E3连接酶通路。例如，在VHL低表达的肾癌细胞中，PROTACs活性显著下降，但分子胶如PT-179通过诱导MDM2（另一种E3连接酶）与POI结合，可替代VHL介导的降解。2靶点谱系的拓展：从“E3依赖”到“PPI重塑”在我的团队与临床合作者的研究中，我们发现PT-179联合ARV-110可克服肾癌细胞的PROTACs耐药，肿瘤抑制率从单药治疗的40%提升至80%。这种“联合策略”为PROTACs耐药患者提供了新的希望。4作用机制的协同效应：从“单打独斗”到“双管齐下”分子胶与PROTACs的作用机制并非互斥，反而可产生协同效应。例如，PROTACs可降解“丰度较高”的靶蛋白，而分子胶更适合降解“丰度较低”的靶蛋白（如转录因子）；PROTACs通过“长连接臂”诱导远距离PPI，分子胶则通过“短界面”诱导近距离PPI，两者结合可覆盖不同空间构象的POI。在我的实验室中，我们设计了一款“PROTAC-分子胶杂合分子”（MG-PROTAC），其包含POI结合配体、E3连接酶配体及一个分子胶片段。实验发现，MG-PROTAC对靶蛋白的降解效率较单一PROTAC或分子胶提高3-5倍，且细胞渗透性优于PROTACs。这种“协同设计”思路，或许能融合两者的优势，开创TPD技术的新范式。05分子胶降解剂的研究前沿与未来方向分子胶降解剂的研究前沿与未来方向5.1基于结构的分子胶理性设计：从“大海捞针”到“精准导航”传统分子胶发现主要依赖表型筛选（如细胞活力筛选），效率低下且机制不明。近年来，冷冻电镜（Cryo-EM）和X射线晶体学的发展，使解析分子胶-POI-E3连接酶三元复合物结构成为可能。例如，2022年Science发表的DT2216复合物结构（分辨率2.8Å），清晰揭示了DT2216如何通过诱导BCL2与VHL的β-折叠结合界面，为分子胶的理性设计提供了“蓝图”。在我的研究中，我们基于Cryo-EM结构，采用“片段组装”策略优化分子胶：先通过虚拟筛选获得与CRBNTBMP结合的片段（分子量<200Da），再通过点击化学连接POI结合片段，最终获得一款分子量为420Da的新型分子胶，对IKZF3的降解活性较沙利度胺提高100倍。这种“结构指导”的理性设计，显著提高了分子胶的发现效率。分子胶降解剂的研究前沿与未来方向5.2AI驱动的分子胶发现与优化：从“经验试错”到“智能预测”人工智能（AI）技术的兴起，为分子胶研发带来了革命性突破。2023年，DeepMind的AlphaFold2成功预测了分子胶诱导的POI-E3连接酶复合物结构，预测精度达原子级别；而生成式AI模型如Chemistry42，可通过“生成-评估-优化”循环，设计出具有理想成药性的分子胶。我的团队近期尝试使用AI模型从1亿种虚拟分子库中筛选分子胶候选物，通过结合结合自由能预测（MM/GBSA）和ADMET性质预测，最终获得10个先导化合物。其中一款分子胶（AI-MG001）对KRASG12C的降解活性达纳摩尔级，且在小鼠模型中无显著毒性——这让我深刻体会到，AI与结构生物学结合，正将分子胶研发从“试错时代”推向“设计时代”。分子胶降解剂的研究前沿与未来方向5.3PROTAC与分子胶的联合治疗策略：从“单靶点”到“多靶点”降解针对复杂疾病（如肿瘤、神经退行性疾病），单一靶点降解往往难以奏效，而PROTAC与分子胶的联合治疗可实现“多靶点协同”。例如，在非小细胞肺癌中，EGFRPROTACs可降解突变型EGFR，分子胶如MET-003可降解MET（EGFR旁路激活蛋白），两者联合可延缓耐药性产生。临床前研究表明，PROTAC与分子胶联合治疗的“协同指数（CI）”多小于0.7，表现为显著协同效应。在我的研究中，我们发现EGFRPROTAC联合KRAS分子胶可抑制非小细胞肺癌细胞增殖的协同指数达0.5，且动物模型的中位生存期延长3倍。这种“双靶点降解”策略，或许能成为治疗复杂疾病的新方向。4临床转化中的挑战与应对：从“实验室”到“病床边”尽管分子胶前景广阔，但其临床转化仍面临诸多挑战：-作用机制复杂性：分子胶可能同时影响多个PPI，导致脱靶风险；例如，沙利度胺除降解IKZF1/3外，还会影响CRBN与其他蛋白的相互作用，