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清华药学院饶燏:PROTAC将从治疗和工具的角度颠覆以往认知丨专访

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发布于 07/01 09:38
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  PROTAC(Proteolysis-Targeting Chimera,蛋白降解靶向嵌合体)技术是近年兴起的一种新型药物研发方向。

  PROTAC 技术通过利用人体自身的泛素 - 蛋白酶体系统,实现对靶向特定蛋白的降解,只需要小分子药物短暂地与特定的蛋白结合、给蛋白打上 “泛素化” 的标签,就可以实现高效特异性的蛋白降解。这种技术在理论上可以靶向大量一直以来被认为 “不可成药” 的靶点,并且可以克服传统方法如 CRISPR、RNAi 和小分子抑制剂的不足,因此被视作引领新一代医药开发的新技术。

  2015 年起,受益于几项重大的科研突破,学术界对于 PROTAC 的关注度空前高涨。2019 年,PROTAC 相关文献的发表量超过了 100 篇。在美国,一批基于 PROTAC 技术、关注肿瘤药物研发的初创公司涌现出来,罗氏(Roche)、葛兰素史克(GSK)、默沙东(MSD)、辉瑞(Pfizer)、拜耳(Bayer)等多家全球性药企已就蛋白降解疗法与不同的初创公司达成了十几项合作。

  

  图丨 2001~2019 年 PROTAC 相关文献发表量(来源:American Chemical Society)

  “‘蓬勃发展’这四个字,是对 PROTAC 现状最好的概括。”清华大学药学院教授、博士生导师饶燏对生辉说道。

  饶燏教授于 2007 年获美国佐治亚大学化学系博士学位,师从 Geert-Jan Boons 教授;2007-2010 年在纽约 Memorial Sloan-Kettering Cancer Center 从事博士后研究,师从 Samuel J. Danishefsky 教授。2010 年初,饶燏教授入职清华大学医学院。

  饶燏教授长期开展药物化学与化学生物学研究,课题组通过跨学科交叉,综合运用包括药物化学、化学生物学、结构生物学、高通量筛选等多种技术手段,来寻找新型、安全、高效的小分子化合物应用于临床转化医学研究。2015 年起,饶燏课题组开始致力于探究细胞内靶向蛋白质降解技术(PROTACs),以及将 PROTAC 技术转化为临床相关的抗肿瘤活性分子,取得了一系列重要研究进展。

  围绕 PROTAC 技术的现状与未来,生辉和饶燏教授聊了聊。

  PROTAC 将从治疗和工具研究的角度颠覆以往认知

  生辉:您如何评价 PROTAC 技术发展的现状?

  饶燏:“蓬勃发展”这四个字,是对 PROTAC 现状最好的概括。现在我所认识的很多人都在做,这是一件令人高兴的事情。2015 年,我刚开始研究 PROTAC 技术的时候,国内应该还没有专注于该领域研究的团队,国际上专门从事 PROTAC 技术的团队也还很少。当时虽然也有人了解到这种技术,但是大部分人会觉得 PROTAC 分子量太大、成药性很差,有各种顾虑,实际上在我们研究的过程中,顾虑的声音也一直存在。一个新技术从萌芽到发展壮大、再到具备普适性,需要经历一个逐步被接受的过程,也需要在这个过程中验证它在制药领域应用时的安全性和有效性。在早期,大家对它有顾虑是太正常不过了,我非常理解。

  我们团队从 2015 年开始致力于 PROTAC 的研究,到现在已经有 5 年。现在国内许多制药团队都开始将目光聚焦于 PROTAC,生物学家也越来越多关注到这个领域,这是非常好的现象,有越来越多的人加入进来,才能把这个领域做大做强。

  生辉:作为长期致力于 PROTAC 领域的研究人员,您如何评价这项技术?

  饶燏:它是一个革命性、颠覆性的技术。首先,从遗传学的工具的角度,PROTAC 是在蛋白层面发生作用,这是我们首次可以系统地用一个工具在蛋白层面进行调控,也是首次能够精准地在下游的蛋白功能分子层面进行调控,这是有别于 DNA 和 RNA 层面的。其次,PROTAC 可以对 CRISPR 和 RNAi 等已有的技术形成有效补充,同时在治疗的潜力上 PROTAC 有超越后两者的可能性,因为 PROTAC 是一个作用可逆的小分子,便于应用,潜在的副作用也可能比较少。

  研发 BTK 蛋白降解剂,克服传统抑制剂的临床耐药

  生辉:您是从什么时候开始关注蛋白降解的?为此组建一个专门的团队,契机是什么?

  饶燏:很早以前就开始关注了。蛋白质降解本身是一个广为大家所熟知的生命现象,在上个世纪就有大量相关的研究。在 2001 年,PROTAC 领域已有第一个概念性的文献发表出来,泛素化介导的蛋白降解机制的相关基础研究工作在 2004 年获得了诺贝尔化学奖,所以,我可以说是从研究生阶段就了解到了蛋白质降解这个技术领域。但是特别关注这个领域是要到 2010 年之后,从我在清华执教开始。

  进入这一领域首先是得益于一系列的科研突破。2010 年,来自日本的半田宏团队成功解析了沙利度胺影响婴儿发育的机理,他们发现用沙利度胺作为诱捕细胞中蛋白质的诱饵,发现这种药物能够钩住并阻断泛素连接酶的活性,这种抑制作用会影响肢体生长和发育。这项研究又引出了 2015 年 James Bradner 团队的一项发现,他们在 Science 上发表了基于沙利度胺类似物的 PROTAC 分子,并且使用 PROTAC 来降解 dBET 转录因子这样一个传统上非常难以靶向的蛋白靶点。此前,PROTAC 领域发展慢的一大原因就是缺少合适的 E3 泛素连接酶的配体,这篇论文非常成功地运用了沙利度胺作为 E3 泛素连接酶配体来进行降解转录因子,这也成为了我们进入这一领域的契机。

  同时,我们也看到了迫切的临床需求。2014 年,新英格兰医学杂志报道了 BTK 蛋白点突变,它是一个淋巴瘤的药物靶点,在使用 BTK 抑制剂依鲁替尼(Ibrutinib)进行治疗的过程中,部分病人的 BTK 可能会产生 C481S 单点突变,引发耐药性。因此我们选择从 BTK 入手,因为这是一个已经被验证的靶点,当时临床上已经有获批的药物,研究人员又发现了耐药性的产生机制,此外,如果用传统的抑制剂去克服这种耐药突变的话,效率会比较慢,由于它是共价的抑制机制,这恰好为验证蛋白质降解提供了一个非常好的应用场景。

  总结起来,使我们决心进入这个领域的原因有两方面,第一个原因是我们认为这个领域足够重要,也有突破的契机;第二个原因是我们找到了一个重要的、有意义的应用方向。

  生辉:能否请您介绍一下您目前正在做的项目?这个项目可能具备的临床意义是什么?

  饶燏:BTK 蛋白降解剂的项目是我们开展最早、目前为止持续时间最长的一个项目,从 15 年就开始着手,一直到现在还在持续。目前我们在这一项目上已经取得了两方面的阶段性成果:

  首先是 2018 年合作在 Cell Research 期刊率先报道了通过构建新型 BTK 蛋白高效降解剂,克服了临床上 B 细胞恶性肿瘤由于 BTK 蛋白突变引起的对临床一线药物 Ibrutinib 的耐药性,这种新策略的靶向选择性远优于 Ibrutinib,能够避免 Ibrutinib 产生的严重副作用;2019 年,我们又与合作者在 Leukemia 杂志上报道通过构建新型高溶解度的 BTK 蛋白高效降解剂,成功高效的降解多种潜在临床相关的突变型 BTK 蛋白,在动物体内实验中克服了临床上非霍奇金淋巴瘤由于 BTK 蛋白突变引起的对临床一线药物 ibrutinib 的耐药性。

  这项研究最大的意义就在于克服临床耐药。BTK 共价抑制剂伊鲁替尼作为治疗套细胞淋巴瘤的药物,在临床使用过程中,BTK 会产生 C481S 单点突变而形成耐药。一旦产生耐药,患者的病情会迅速恶化,虽然制药企业有可能会开发新一代的小分子抑制剂,但药物的开发需要时间。在理论上不管是什么类型的耐药点突变,都可以通过蛋白降解技术来把突变蛋白降解。因此,基于蛋白质降解技术,我们甚至可以做前瞻性的研究,例如我们在 Leukemia 杂志发表的研究成果,这项研究针对 5 种突变进行了降解,前瞻性就体现在这 5 种突变其实只有 1 种已经在临床上发现,另外 4 种并没有被发现,而我们做了一个前瞻性的验证,证明了这个技术是有效的、甚至有可能克服未来新发现的耐药突变。

  肿瘤是现阶段研究焦点,未来将渗透到所有疾病领域

  生辉:您和您的团队在探索 PROTAC 的过程中遇到了哪些挑战?是如何应对这些难点的?

  饶燏:首先,对于传统被认为 “不可成药” 的靶点,PROTAC 应用的例子还比较少,近期针对这类靶点有一例 STAT3 小分子降解剂报道,来自美国密歇根大学的王少萌教授团队,未来还需要更多的案例来佐证 PROTAC 在非成药靶点方面的优势。要靶向所谓的 “不可成药” 靶点,最大的挑战在于如何找到合适的配体。现在大家有各种各样的技术去应对配体筛选的问题,我们团队也在开发这样的新技术,通过开发多样性化合物库的新技术来寻找合适的配体。在找到合适的配体之后,还要通过 Linker 以及 E3 泛素连接酶的配体再组合起来,这就需要药物化学家来进行优化,在保证它的降解活性的同时,改善水溶度和分子量等成药性方面的理化性质。

  生辉:目前学界关于蛋白降解的研究主要集中在哪些方面?

  饶燏:从研究领域来说,目前主要集中在肿瘤方面,但我认为未来会逐渐向其他领域进行扩展,例如自免疫和神经退行性疾病,最终会渗透到所有的疾病领域。目前进入临床的 PROTAC 疗法针对的都是实体瘤,但我个人倾向于认为,针对血液瘤的 PROTAC 疗法也有可能会很快获得突破。

  从技术领域来说, 蛋白质降解可分为各种不同类型的技术,目前最成熟、同时也最具有潜力的是 PROTAC 技术,其他技术将来有可能和 PROTAC 技术发生融合与交叉。PROTAC 从技术概念的提出到如今逐渐发展成熟,已走过将近 20 年,而近期还出现了如 LYTAC、ENDTAC 等不同的新技术类型。这些新思路都很有意思,值得探究,但目前都尚处于概念阶段,还需要时间来进一步发展和验证。

  生辉:在您看来,为什么肿瘤会成为目前蛋白降解疗法的最主要的研究领域?

  饶燏:这与技术的成熟度有相关性。肿瘤领域迫切需求新的技术和疗法,可以说是目前制药工业界投入资金和其他资源最多的领域,也有很长的研究历史;同时,肿瘤是致死性的疾病,市场需求的迫切性会更高。如果有一个新的制药技术出现,首先在肿瘤领域产生影响并不令人意外。对于免疫疾病以及神经退行性疾病等领域,制药工业界可能推动得相对会慢些,它的技术积累的成熟度不如肿瘤领域那么高,虽然不排除未来出现新的重大技术突破,但是一个领域的发展要遵从客观规律,前期的积累非常重要。

  生辉:您个人判断,证明 PROTAC 可以降解各种 “不可成药靶点” 还需要多长时间?

  饶燏:不同靶点,很难预估具体时间,但我个人持谨慎乐观态度。一旦能够克服各种传统意义上的“不可成药靶点”,我认为这将是极为激动人心的事情,蛋白降解技术未来在制药领域的应用和突破将会对整个医药领域产生巨大而深远的影响,并最终造福全人类。

  关于饶燏课题组:

  饶燏课题组致力于探究细胞内靶向蛋白质降解技术(proteolysis-targeting chimeras,PROTAC),以及将 PROTAC 技术转化为临床相关的抗肿瘤活性分子,并于近年来取得了系列重要研究进展:

  2018 年合作在 Cell Research 期刊首次报道了通过构建新型 BTK 蛋白高效降解剂,克服了临床上 B 细胞恶性肿瘤由于 BTK 蛋白突变引起的对临床一线药物 Ibrutinib 的耐药性,新策略的靶向选择性远优于 Ibrutinib,能够避免 Ibrutinib 产生的严重副作用;2018 年合作在 ChemComm 首次报道了利用了不同的招募 PARP1 蛋白和 E3 连接酶的配体组合,实现了利用 PROTAC 技术靶向降解 PARP1 蛋白;2019 年合作在 Protein & Cell , ChemComm 期刊报道通过构建新型 HDAC6 选择性的高效降解剂,实现了在多种肿瘤细胞系中对 HDAC6 的高效降解,且该降解剂能够降解 EGFP 融合蛋白,证明可以利用荧光手段在细胞层面实现蛋白降解过程的动态监测;2019 年合作在 Cell Discovery 首次报道通过化学设计蛋白降解分子(PROTACs),快速可逆敲低动物体内蛋白(FKBP12),并首次成功实现恒河猴体内蛋白全身快速敲降;2019 年合作在 Leukemia 报道通过构建新型高溶解度的 BTK 蛋白高效降解剂,成功高效的降解多种临床相关的突变型 BTK 蛋白,在体内实验中克服了临床上非霍奇金淋巴瘤由于 BTK 蛋白突变引起的对临床一线药物 ibrutinib 的耐药性。

  2019 年合作在 Journal of Medicinal Chemistry 报道通过构建选择性的 CDK4/6 蛋白高效降解剂,成功高效的降解 CDK4/6 蛋白。该类型降解剂在体外试验中展示了良好的肿瘤细胞增殖抑制效果。

  2019 年合作在 ACS Medicinal Chemistry Letter 报道通过构建靶向 FAK 蛋白高效降解剂,成功高效得降解 FAK 蛋白。该类型降解剂在体外细胞增殖抑制试验中初步展示了优于原药抑制剂的效果。

  2019 年受邀分别在 Signal Transduction and Targeted Therapy、ACS Medicinal Chemistry Letter 及 Biochemistry 发表综述与展望性文章,对 PROTAC 蛋白质降解研究领域进行介绍和未来研究方向的展望;2020 年合作在 Journal of Medicinal Chemistry 报道通过构建小分子蛋白降解剂,成功高效地降解 HMGCR 蛋白。HMGCR 是位于内质网上的八跨膜蛋白, PROTAC 对此类蛋白的降解能力往往有限,该工作首次证明利用 PROTAC 技术对内质网蛋白进行降解的可行性。

  2020 年合作在 Protein & Cell 报道在实验小鼠上应用 PROTAC 小分子靶向敲降 FAK 蛋白。该工作首次在动物水平上揭示了 PROTAC 工具对蛋白非激酶结构域的调控,为 FAK-PROTAC 工具的体内外进一步应用提供理论依据。

  -End-

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