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靶向蛋白降解疗法作治疗癌症面临的挑战和机遇
来源:药明康德 | 2021/3/8 5:39:02 | 浏览:193 | 评论:0

靶向蛋白降解疗法是新药开发炙手可热的领域。去年,Arvinas公司蛋白降解剂(PROTAC)ARV-471和ARV-110的临床结果,让人们看到这一治疗模式在临床试验中的概念验证。不过在PROTAC之前,有一类蛋白降解药物已经获得FDA批准治疗多种血液癌症,只不过科学家们最近才发现它们抗癌的机理主要依靠降解与疾病相关的特定蛋白。这就是度胺类药物,包括沙利度胺(thalidomide)、来那度胺(lenalidomide)和泊马度胺(pomalidomide)。这些药物开发的经验能给新一代蛋白降解药物的开发带来什么启示?日前,Nature Reviews Drug Discovery上的一篇综述以史为鉴,探讨了靶向蛋白降解疗法作治疗癌症面临的挑战和机遇。

靶向蛋白降解疗法作治疗癌症面临的挑战和机遇

度胺类药物的蛋白降解作用机制

蛋白降解药物的基本作用机制是利用泛素-蛋白酶体系统(UPS)来诱导特定蛋白的降解。E3泛素连接酶能够为需要降解的蛋白加上泛素标签,让它们被运送到蛋白酶体进行降解。人体中有超过600种E3泛素连接酶,而度胺类药物能够与其中最大的E3泛素连接酶家族Cullin–RING连接酶复合体中的CRBN蛋白结合,改变了CRBN蛋白与底物的结合特征,从而让新的底物蛋白被这一连接酶打上泛素标签,导致它们被降解。不同类型的度胺类药物自2005年以来,已经获得FDA批准,作为单药或者与其他疗法联用,治疗多发性骨髓瘤患者和某些淋巴瘤患者。

靶向蛋白降解疗法作治疗癌症面临的挑战和机遇

▲通过调节CRBN蛋白结合特征的蛋白降解剂的作用机制示意图(图片来源:百时美施贵宝官网)

蛋白降解机制的独特优点

与通常抑制蛋白酶活性的小分子抑制剂相比,蛋白降解的作用机制提供众多利于药物开发的优点。首先,蛋白降解剂不需要与靶点蛋白的活性位点相结合,因此可以用于靶向传统小分子抑制剂不能靶向的蛋白。其次,传统的小分子抑制剂需要依靠与靶点蛋白的结合才能发挥作用,因此需要药物保持足够的浓度才能维持抑制效果。而蛋白降解剂是靠完成蛋白降解的催化反应来达到抑制效果,在完成一个蛋白靶点的降解后可以与下一个蛋白结合。而且对蛋白功能的抑制效果在新的蛋白合成出来之前不会消失。

蛋白降解剂的另一个优势是它可以用于靶向一些作为结构蛋白导致疾病的靶点。通常结构蛋白的功能由于不涉及到酶的活性,难于用小分子抑制剂靶向,而蛋白降解剂可以通过对靶点蛋白的降解来破坏它们的结构功能。

靶向蛋白降解疗法作治疗癌症面临的挑战和机遇

▲蛋白降解剂与传统小分子抑制剂的不同作用机制(图片来源:参考资料[2])

癌症对蛋白降解剂产生耐药性的机制

虽然大部分新一代靶向蛋白降解剂仍然处于临床前开发阶段,但是研究人员已经观察到肿瘤细胞对蛋白降解剂的耐药性。而度胺类药物在治疗多发性骨髓瘤等血液癌症患者时也遇到了耐药性的挑战。理解耐药性的产生无疑对开发更有效的蛋白降解剂来说至关重要。

从度胺类药物的经验来看,肿瘤细胞可以通过多个途径产生对蛋白降解剂的耐药性。一是通过降低E3泛素连接酶的活性。已有研究显示,CRBN蛋白的表达对来那度胺的抗多发性骨髓瘤活性非常重要。在体外实验中,长期暴露在来那度胺之下的多发性骨髓瘤细胞或淋巴瘤细胞会通过CRBN的突变,或者降低Cullin–RING连接酶复合体成分的表达水平,导致E3泛素连接酶活性的降低。这些变异最终可能导致三分之一的多发性骨髓瘤患者对来那度胺产生耐药性。

另外一种耐药性产生的机制是通过提高E3泛素连接酶其他底物的水平。因为E3泛素连接酶产生作用的方式是通过降解与疾病相关的靶点蛋白,如果癌细胞能够提高这一连接酶的其他底物的水平,就能够间接保护致病蛋白不被降解。

靶向蛋白降解疗法作治疗癌症面临的挑战和机遇

▲对蛋白降解产生耐药性的多种机制(图片来源:参考资料[1])

除了直接影响蛋白降解机制以外,癌细胞还可以通过在信号通路下游的突变,避开靶点蛋白降解产生的影响。例如在某些骨髓增生异常综合征(MDS)患者中,来那度胺会通过降解名为CK1α的蛋白激活p53介导的细胞死亡。而接受来那度胺治疗的MDS患者中,表达p53的TP53基因突变频率升高,从而对来那度胺治疗产生耐药性。

蛋白降解剂未来的机遇

从某种角度来说,度胺类药物在治疗多发性骨髓瘤和其他血液癌症方面的成功为新一代靶向蛋白降解剂的开发提供了临床上的概念验证。目前,新一代的靶向蛋白降解疗法通过将靶向靶点蛋白的基团与与E3泛素连接酶结合的基团连接起来,能够针对特定靶点进行“定制”的靶向蛋白降解剂的开发。在新一代靶向蛋白降解疗法的开发方面有以下几个机遇。

创新蛋白降解机制

人体中有超过600种E3泛素连接酶,而目前大多数靶向蛋白降解剂主要使用的泛素连接酶仍然局限于CRBN或VHL等少数几种。其中的原因之一是CRBN已经在度胺类药物的实践中得到验证,因此针对这一泛素连接酶设计的靶向蛋白降解剂的安全性较高。然而同时这也可能造成癌症的耐药性更容易产生,而且有些致病蛋白并不容易被CRBN或VHL介导的机制降解。

因此,扩展蛋白降解剂开发的一大机遇是扩展使用的E3连接酶的种类,甚至开发不依赖特定E3泛素连接酶的蛋白降解方法。例如,在2019年发表在Nature Chemical Biology的一项研究中,纽约西奈山伊坎医学院(Icahn School of Medicine at Mount Sinai)的金坚教授课题组与Ramon Parsons教授课题组合作,开发出一种靶向EZH2的高效、高选择性蛋白降解剂MS1943。它将靶向EZH2的小分子与一个亲脂性基团结合起来,这个分子与EZH2蛋白结合之后让蛋白的空间折叠构象发生改变,被细胞内检测机制认为是折叠错误的蛋白,从而引发蛋白降解。它在治疗三阴性乳腺癌的体外和动物实验中都表现出良好的活性。

靶向蛋白降解疗法作治疗癌症面临的挑战和机遇

▲通过在与EZH蛋白结合的C24上添加一个亲脂性基团(红色),生成特异性EZH蛋白降解剂MS1843(图片来源:参考资料[3])

蛋白降解剂在合成生物学和细胞疗法方面的应用

除了直接产生抗癌活性以外,基于蛋白降解的结构单元可以作为一种分子开关,用于调节细胞疗法的功能。例如CAR-T疗法在治疗B细胞恶性肿瘤方面已经表现出良好的效果,然而,它们可能因为T细胞过度激活而产生严重的副作用。因此,对CAR-T疗法疗效和安全性的精准控制非常关键。目前已经有多种CAR-T疗法的设计在抗原嵌合受体(CAR)结构中添加受到小分子药物控制的“控制开关”,其中包括利用蛋白降解原理的设计。比如在CAR的结构中加上与来那度胺结合的元件,使用来那度胺可以降解CAR蛋白,从而关闭CAR-T细胞的活性。除了控制CAR-T细胞疗法的活性以外,这种蛋白降解元件还可以用于控制其他持续表达会产生毒性的治疗性蛋白,例如促炎性蛋白IL-12。

靶向蛋白降解疗法作治疗癌症面临的挑战和机遇

▲利用感应来那度胺的元件控制CAR-T疗法活性(图片来源:参考资料[1])

结语

在肿瘤学领域,靶向蛋白降解疗法开发正处在一个令人兴奋的转折点。对沙利度胺类似物进行的多样性化学改造正在扩展可以降解的靶点蛋白范围。而更多双特异性PROTAC候选药物正在不断被设计和开发出来。随着这些候选化合物进入临床研究,来那度胺和其他度胺类药物的开发经验可以作为借鉴。例如,在临床前研究中,创新降解剂应该在多种不同细胞类型中接受检验,以确定在没有严重毒性下的抗癌潜力。临床蛋白组学研究将有助于监控靶点蛋白的动态平衡。研究人员应该提前预计到利用E3泛素连接酶可能产生的耐药机制并且做出相应的应对。最终,对分子胶化学、结构生物学和蛋白组学更深的理解将扩展可降解靶点的范围看,解锁新的医学机遇。

参考资料:

[1] Jan et al.,(2021). Cancer therapies based on targeted protein degradation — lessons learned with lenalidomide. Nature Reviews Drug Discovery, https://doi.org/10.1038/s41571-021-00479-z.

[2] Dhanusha A. Nalawansha and Craig M. Crews.,(2020)PROTACs:An Emerging Therapeutic Modality in Precision Medicine, Cell Chemical Biology DOI:10.1016/j.chembiol.2020.07.020

[3] Anqi Ma et al.,(2019). Discovery of a first-in-class EZH2 selective degrader. Nat. Chem. Bio., DOI:10.1038/s41589-019-

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