首页  >  热点  >  新闻特写  >  文章正文
shRNA表达克隆

蛋白清除药物或前途无量

Apr 02, 2019 No Comments

蛋白清除药物或前途无量1

 

 

研究人员正在靶向细胞内的蛋白质处理系统,以期治疗阿尔茨海默氏症和难治性癌症。


当耶鲁大学(Yale University)的科学家Craig Crews第一次成功使用一种奇怪的新化合物使蛋白质消失时,生化界同仁认为这是一种“客厅把戏”(糊弄人的小魔术),或一种“可爱的化学好奇心”。

现在,Roche、Pfizer、Merck、Novartis和GlaxoSmithKline等制药巨头在这种潜在新疗法上投入了数十亿美金。Crews的早期合作者之一、加州安进公司全球研究高级副总裁Raymond Deshaies断言,几乎每家公司都在这个领域开展了项目。

这种被称为靶向蛋白降解的药物策略利用细胞内的天然系统来清除不需要的或受损的蛋白质。虽然这些蛋白质降解药物形式多样,但今年正在进行临床试验的药物是Crews已经花了20多年才开发出来的:以蛋白水解为目标的嵌合体(proteolysis-targeting chimaeras, PROTACs)。

尽管PROTACs庞大而笨拙,并且与药物设计的传统观念差别很大,但它们为解决一些最难治的疾病提供了新的可能性。因为PROTACs会破坏而不是抑制蛋白质,并且可以与其它药物无法结合的蛋白质结合,蛋白质降解药物可以用来追踪药物开发者长期以来认为“不可摧毁”的目标:促进癌症的恶性蛋白,如MYC,或在阿尔茨海默病中异常缠结的tau蛋白质。

英国邓迪大学(University of Dundee)的生物化学家Alessio Ciulli指出,这是一个新的领域,我们违反了常规的药物设计规则。

该领域有理由保持乐观。2014年,科学家发现,骨髓瘤药物来那度胺(Revlimid)——世界上最畅销的药物之一,与蛋白质降解药物的作用方式类似,可以降解两种以前无法靶向的蛋白质。

然而,该领域能证实PROTACs和其它新兴化合物可以使不可摧毁的蛋白质消失的数据并不多。并且这些奇怪的分子在体内的分布和作用机制完全不明。

目前,所有的目光都集中于Arvinas公司(一家由Crews创建的、位于康涅狄格州纽黑文的生物技术公司)。该公司计划开始测试前列腺癌的PROTACs,靶向一个已被其它药物成功靶向的蛋白。Arvinas生物学高级副总裁Ian Taylor表示,他们正在证明这些PROTACs具有成为药物的潜能。他们要解答的下个问题是,PROTACs可以靶向那些原本不可靶向的蛋白吗?

 

学术练习

在示意图中,PROTACs通常看起来像哑铃,两个结合末端通过一个细细的系链连接到一起。

两个结合末端发挥清除作用。一个末端结合目标蛋白质,而另一个末端结合泛素连接酶——细胞内垃圾处理系统的一部分,通过一种叫做泛素的小蛋白质来标记有缺陷或受损的蛋白质(图“标记然后破坏”)。泛素标签就像是“垃圾”贴纸,指示细胞的蛋白质粉碎机——蛋白酶体,去清除被标记的蛋白。

蛋白清除药物或前途无量2

位置邻近在生物学上意义重大,通过简单地将连接酶和靶蛋白结合在一起,PROTACs可确保靶标被标记,并进一步被破坏。连接酶非常有效,并且泛素在细胞内大量分布,因此单个PROTAC应该能够在整个细胞中反复执行其捕获和释放功能,这表明只需要少量药物,就能发挥强大的药效。

1999年,马里兰州盖瑟斯堡的一家生物技术公司Proteinix的两位科学家提交了最早的PROTAC类分子的描述。在该专利中(go.nature.com/2vyjf9l),John Kenten和Steven Roberts提出激活细胞内的蛋白降解系统。当时他们的同事并不赞同这个想法,认为Kenten和Roberts同时结合两种蛋白质——待清除蛋白质和连接酶,会使药物发现变得工作更加复杂。据现已成为马里兰州罗克维尔Meso Scale Diagnostics公司的研究主管的Kenten回忆,领域内都不看好这个想法。当时,无奈之下,Proteinix公司放弃了这种方法。

但在美国的另一边厢,也有两位科学家有同样的考虑。1998年,在华盛顿西北部Semiahmoo湾一个风景优美的度假胜地进行研究后,Deshaies在一张海报前停了下来,听Crews谈论用小分子将两种蛋白质连接在一起。Deshaies当时是帕萨迪纳加州理工学院(California Institute of Technology)的生物化学家,他在泛素连接酶的研究中处于领先地位。人类基因组编码大约600个泛素连接酶,需要与其它蛋白质形成复合物以进行标记。大约一年前,Deshaies发现了一个现在已知含有250个泛素连接酶的蛋白质家族。

据Deshaies回忆,如果你能将这些东西与泛素连接酶连接起来,那么你就可能会推动蛋白质的泛素化——以及它的降解。他和Crews在整个周末继续交流,然后分别寻找资金来探索这个想法。

当时,Crews正在开发一种与PROTACs作用方式相反的药物。该药物阻断了细胞中的泛素系统,导致蛋白质积聚到危险水平,最终导致细胞死亡。这项研究的成果卡非佐米(carfilzomib,也叫Kyprolis),现已被用于治疗血癌多发性骨髓瘤。Crews认为,这种作用方式也同样有趣,事实证明确实如此。

Crews和Deshaies很快发表了一项研究成果,证明他们的第一个PROTAC药物Protac-1成功地捕获非洲爪蟾蛙卵提取物中的癌症相关蛋白METAP2,并导致其降解。

尽管如此,Protac-1距离成为一个药物还非常遥远,Crews称该论文是“学术演习”。第一代PROTACs在人体细胞中的活性很低,可能是因为这些化合物难以进入细胞。它们依靠大而笨拙的肽来结合连接酶。科学家必须找到一种方法,使连接酶结合末端更像药物,即如Crews所说的有可能成为药物的东西。否则他们需要继续改进。

在GlaxoSmithKline的资助和研究支持下,Crews继续推进,关注一种特殊的连接酶von Hippel-Lindau疾病抑制因子(von Hippel–Lindau disease tumour suppressor, VHL)。2012年,Crews与他的研究生Dennis Buckley以及Crews实验室前访问学者Ciulli一起报道了一种用于VHL的小分子粘合剂。工作人员终于开始相信PROTACs真的可以成为药物。

 

寻找小分子

Crews不是唯一一个追逐蛋白质降解剂的人。2010年,丹娜法伯癌症研究所(Dana-Farber Cancer Institute)的化学生物学家James Bradner读了一篇由当时就职于东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)的Hiroshi Handa领导的小组的论文。Handa一直试图理解为什么臭名昭著的药物沙利度胺(thalidomide)在20世纪50年代末和60年代早期在一些国家被批准用于帮助治疗怀孕期间的恶心,该药物可能会导致胎儿肢体发育异常。(沙利度胺现在被批准用于治疗多发性骨髓瘤和皮肤病。)使用沙利度胺作为诱饵捕获细胞中的蛋白质,Handa发现该药物可以捕获并阻断泛素连接酶cereblon的活性。他的研究小组发现,这种抑制会影响斑马鱼和小鸡的肢体生长和发育。

Bradner意识到,如果沙利度胺能与泛素连接酶结合——这绝非易事,因为这种酶很难被捕获——那么也许他就能找到一种方法来结合相同的连接酶,然后将其靶向与疾病有关的蛋白质。2013年,Buckley到Bradner的实验室做博士后,他们开始寻找与cereblon结合的小分子。

蛋白清除药物或前途无量3

PROTAC MZ1与泛素连接酶复合物(黄色、粉红色和蓝色)及其靶蛋白BRD4(绿色)结合。

 


2015年5月和6月,由Bradner、Ciulli和Crews领导的三个小组分别发表了5篇论文,描述了具有强效药物活性的小分子PROTACs。与GlaxoSmithKline的Ian Churcher一起,Crews将PROTAC与VHL结合,并用它将几种蛋白质的水平降低至正常细胞的10%。Bradner等人用他们的PROTAC降低致癌蛋白的水平,而当时在邓迪大学(University of Dundee)的Ciulli使用VHL作为连接酶降解相同的蛋白质。在细胞和小鼠的人类肿瘤中,蛋白质降解剂都有显著效果。

除了设计类似药物的蛋白质降解剂外,Crews和Bradner的团队分别建立了HaloPROTACs和dTAG蛋白降解系统,使研究人员能够在自己的实验室中用基因标签标记小鼠或细胞中需要降解的蛋白质。使用dTAG,化学生物学家Behnam Nabet指出,你就可以在几分钟或几小时内清除一种蛋白质,并监测反应。他在丹娜法伯癌症研究所与Nathanael Gray一起负责导该系统的开发。Nabet 指出,这为癌基因、激酶和具有非常快速活性的蛋白质研究工作提供了很大的动力。dTAG材料目前免费提供:超过150个学术实验室使用这种探针系统研究消耗细胞中特定蛋白质的影响。

Bradner于2016年离开丹娜法伯癌症研究所,担任Novartis生物医学研究所(Novartis Institutes for Biomedical Research)的主席,他估计大约有30种不同的工具已经采用了该技术。Bradner表示,化学探针已经发展得非常成熟了,但是用这些配体制造真实药物的挑战仍然是巨大的。

 

淘金热

在2015年爆发的小分子PROTACs热之后,已离开该领域的Deshaies撰写了一篇评论文章,宣称PROTACs有可能取代长久以来两个主流药物开发领域——蛋白激酶抑制剂和单克隆抗体,成为主流的药物类型。Deshaies当时写道,“淘金热”已经开始了!

他还指出,自那时起,这场“淘金热”愈演愈烈。Deshaies于2017年加入Amgen公司,现在负责该公司在该领域的研发工作。

Taylor表示,预计将于2019年中期开始的Arvinas试验将包括28-36名患有转移性前列腺癌的男性,并将持续约9个月。任何新药物通常都会追踪一个众所周知的目标,其中生物学和毒理学是最为人们熟知的,Arvinas的第一个候选药物也不例外。它会降解雄激素受体——目前已有少数几种靶向该受体的药物得到了监管机构的批准。Arvinas公司希望了利用PROTAC降解而不是抑制受体,从而治疗那些已经对现有药物产生抗药性或没有响应的人。如果该候选药物能成功,靶向蛋白降解领域就有了临床数据的支持。Arvinas将证明,PROTAC可以成为一种药物。

这一点至关重要,因为人们对蛋白质降解酶是否可以在人体中发挥作用存在相当大的怀疑。完全组装的PROTACs打破了经典的药物经验法则。其中最主要的是尺寸。良好的小分子药物通常分子质量小于500道尔顿。目前PROTACs的分子质量都在1000道尔顿以上。然而,这些分子仍然可以进入细胞。Crews怀疑这是因为它们可能被细胞膜识别为两个碰巧被束缚在一起的较小分子,而不是一个大的分子。

Taylor等人抛弃了大于平均质量的小分子无法进入细胞的传统观念。

同时,PROTACs也挑战了关于一些蛋白不可靶向的观念。许多蛋白质靶标的问题在于,大多数小分子药物或单克隆抗体需要与酶或受体上的活性位点结合才能发挥作用。但根据估计,人类细胞中80%的蛋白质缺乏此类位点。而PROTACs则可以通过任何角落、裂缝或缝隙捕获蛋白质——它们不需要作用于活性位点。因此它们可以靶向这些不具有活性位点的蛋白质。

已有一些证据支持这种方法。去年,伦敦癌症研究所(Institute of Cancer Research)的一个研究小组合成了一种小分子,该分子可以与一个没有活性位点的转录因子调节因子结合。他们通过添加cereblon的粘合剂,能够创造出有效的PROTAC。

该领域仍然缺乏已发表的关于PROTACs的数据,来证实PROTACs可以靶向并降解难以攻克的蛋白质。Deshaies指出,Amgen公司开发了一种可以在细胞和动物体内靶向一种历史上很难结合的未命名的高价值癌症靶点的PROTACs。Arvinas声称,有体内证据表明PROTACs可降低小鼠大脑中的tau蛋白。该公司在其网站上宣称,将tau蛋白质降解剂直接注入小鼠海马体后,tau水平降低了50%。

通过开发针对一系列疾病(包括影响大脑的疾病)的PROTACs,Taylor表示许多研究人员希望证明该技术是具有很大潜力的。各种团队也在努力扩大蛋白质降解剂可以使用的连接酶库。目前研究人员仅使用4种主要的连接酶,包括VHL和cereblon,并且更广泛的可用连接酶可使药物开发者能够针对感兴趣的细胞类型和蛋白靶标,选择最合适的连接酶-PROTAC组合。Ciulli表示,理论上讲,该方法可以使用各种连接酶。目前他正在与德国制药巨头Boehringer Ingelheim合作开发PROTACs。

受到新目标、提高效力和即将开始的临床试验的鼓舞,研究人员已经准备好接受蛋白质降解剂不仅仅是一种宴会戏法。Ciulli指出,这个领域迟早要突破,只是早或晚的问题。


原文检索:
Megan Scudellari. (2019) Protein-slaying drugs could be the next blockbuster therapies. Nature, 567: 298-300.
张洁/编译

新闻特写, 热点
No Responses to “蛋白清除药物或前途无量”

Leave a Reply


− 4 = four