靶向蛋白降解(TPD)是一种有效性的，高度选择性的诱发蛋白降解方式。近年来，以PROTAC为代表的TPD技术的研究如火如荼。PROTAC主要降解的是胞内蛋白，实际上，有40%的基因产物为胞外和膜相关蛋白，如生长因子、细胞因子和趋化因子，它们在多种疾病(如癌症和炎症)中引发异常信号传导。那么，有没有一种诱导胞外蛋白降解的技术来弥补PROTAC的这一局限呢？
溶酶体靶向嵌合体(LYTAC)
近日，来自斯坦福大学Bertozzi教授的研究团队在Nature上报道了一项靶向胞外蛋白的降解技术——溶酶体靶向嵌合体(LYTAC)。并且证明LYTAC成功降解了表皮生长因子受体(EGFR)、程序性死亡配体1(PD-L1)和载脂蛋白E4。斯坦福大学的研究人员还表明，在细胞中，LYTAC可以靶向并降解阿尔茨海默症和癌症中的重要蛋白。继PROTAC之后，LYTAC可能会成为另一个“爆款”。
图1.LYTAC作用机制[3]
LYTAC含有两个结合域，一个寡糖肽基团(Oligoglycopeptidegroup)和一个能与目标蛋白质结合的抗体或小分子，两者用Linker连接。寡糖肽基团在细胞表面与跨膜受体CI-M6PR结合，所得复合物被细胞膜吞没，形成运输囊泡，并在CI-M6PR作用下将复合物转移至溶酶体降解，而受体CI-M6PR可循环利用并回到细胞膜(如图1)。例如通过使用抗EGFR单克隆抗体Cetuximab与CI-M6PR配体M6Pn糖多肽缀合构建LYTACAb-2来降解EGFR。
另外，在去年六月份，PROTAC先驱、耶鲁大学的Crews小组在ACSCentralScience杂志上发表了另一项胞外蛋白降解技术——内源性嵌合体(ENDTAC)。但该文章由于无法重现数据，已经于今年年初撤回。
不论是LYTAC还是ENDTAC，都需要研究者继续探索，推动靶向胞外蛋白蛋白技术的进一步发展。
庞大的蛋白降解家族
当然，“蛋白降解家族”可不止PROTAC，LYTAC两个成员，还有很多其他的新兴靶向蛋白技术，如光控靶蛋白降解(photo-PROTAC)、分子胶(MolecularGlue)，自噬介导的靶蛋白降解(AUTAC)、利用TRIM21E3连接酶靶向降解蛋白的Trim-Away，基因编码降解剂(BioPROTAC)等，这些技术不仅扩展了蛋白降解的途径，同时提升了蛋白降解的精确度。
■PROTAC与PhotoPROTAC：
PROTAC一直是靶向蛋白降解家族的代表。
1、由三部分组成的双功能杂交化合物：靶蛋白配体+Linker+E3泛素连接酶配体(图2)。
2、通过泛素-蛋白酶体系统靶向降解蛋白：PROTAC可以与E3泛素连接酶和靶蛋白结合，诱导形成三元复合物，导致多聚泛素化并随后降解靶蛋白。PROTAC可以回收继续利用(图2)。
3、不仅具有靶向“不可成药”蛋白的潜力，并且能够在低浓度下有效诱导蛋白质降解。PROTAC还能靶向突变蛋白，克服小分子抑制剂耐药性的问题。
图2.PROTACs的作用机制[6]
就在今年7月，PROTAC先驱Crews小组又在ACSCentralScience发表了首个具有细胞活性的靶向降解KRASG12C突变的PROTAC分子LC-2。LC-2由MRTX与VHLE3连接酶配体连接组成，并在多种癌细胞系中诱导快速且持续的KRASG12C降解。
与大多数小分子抑制剂主要阻断目标酶的催化活性不同，PROTACs旨在降解目标蛋白。这种特性提供了优势的同时也有潜在的弊端，当全身给药时，它可能会导致正常细胞中的目标蛋白不受控制的降解，产生非特异性毒性。而光控开关PROTACs正是在PROTAC上添加一个可控的开关，使它在黑暗中无活性，特定波长的可见光下会被激活，降解目标蛋白。因此，光控开关PROTACs能够在癌细胞或组织中激活，在时间和空间上精准地控制靶向蛋白降解，消除潜在的非特异性毒性。
图3.opto-pomalidomide以UVA依赖的方式
降解目标蛋白模式图[10]
今年年初ScienceAdvances上的两篇背靠背文章，分别发表了关于光控的精准时空激活的PROTAC。其中哈佛医学院和西奈山医学院研究团队设计了opto-PROTACs。他们通过在泊马度胺(Pomalidomide)上添加一个对光不稳定的Caging基团，暂时阻止Pomalidomide与E3连接酶CRBN的相互作用，之后利用紫外线A(UVA)照射，opto-pomalidomide分子以时间依赖性方式进行光解，从笼状(Caged)状态中解开，并成功介导IKZF1/3降解。他们据此原理设计的光控opto-dBET1以及opto-dALK也都分别成功介导了BRD蛋白和ALK融合蛋白的降解(图3)。
图4.PHOTAC的示意图
分子经照射后在非活性形式(蓝色五边形)和
活性形式(黄色星形)之间切换[11]
同样的，纽约大学的研究团队开发的靶向BET蛋白(BRD2/3/4)或FKBP12的光开关PHOTAC分子，也证明了光控的精准时空激活的有效性(图4)。
■分子胶(MolecularGlue)：
分子胶是一类诱导或稳定蛋白之间相互作用的小分子化合物，通过结合E3泛素连接酶并修饰其分子表面，诱导新的蛋白质间相互作用(正常情况下两者原先没有相互作用)，并在连接酶的作用下，导致蛋白降解。沙利度胺(Thalidomide)及类似物泊马度胺(Pomalidomide)和来那度胺(Lenalidomide)是一类免疫调节类药物(IMiDs)，也是典型的分子胶，它们可对CRBN进行修饰，形成新的蛋白间相互作用,降解几种锌指转录因子，如形成CRBN-IMiDs-IKZF1，随后降解IKZF1(图5)。
图5.IMiDs与CRL4E3连接酶底物受体CRBN结合，
为泛素化和蛋白酶体降解募集底物[12]
到目前为止，除CRBN/IMiD分子胶之外，分子胶的设计构想仍依赖偶然的发现，包括通过系统地挖掘数据库得到的CDK抑制剂CR8分子，以及优化MDM2双功能降解剂MD-得到的MG-。
■自噬介导的靶向蛋白质降解(AUTAC)：
自噬靶向嵌合体(AUTAC)，顾名思义，是一种利用自噬机制的降解剂，能够降解目标蛋白以及受损的细胞器，例如受损的线粒体。AUTAC由一个模仿S-guanylation(即，鸟嘌呤衍生物)的降解标签和目标蛋白配体通过Linker组成。S-guanylation是一种翻译后修饰，可通过诱导K63多泛素化来标记选择性自噬的目标蛋白。因此，目标蛋白被自噬受体SQSTM1/p62识别，并被募集到选择性自噬途径进行降解(图6)。
图6.AUTAC作用机制[15]
■TRIM-Away技术：
Trim-Away，一种在细胞内快速降解目标蛋白的新技术。它利用内源性泛素连接酶TRIM21识别抗体的Fc区来降解蛋白抗体复合物。TRIM21是一种E3泛素连接酶，可与抗体的Fc结构域高亲和力结合。
在典型的Trim-Away中，蛋白质降解可通过三个步骤完成：第一，引入靶向目标蛋白质的抗体；第二，将内源或外源/过表达的TRIM21募集至抗体结合的目标蛋白处；第三，蛋白酶体介导目标蛋白，抗体和TRIM21复合物的降解(图7)。
相比于DNA敲除和RNA干扰等方式破坏靶蛋白，Trim-Away不需预先修饰基因组或mRNA即可急性降解内源蛋白，而且Trim-Away在几分钟内就能去除靶蛋白，这种快速性可以最大程度地减少补偿机制以及继发性等。
图7.TRIM-Away机制图[5]
除上述提及到的靶向蛋白降解技术外，另外还有BioPROTAC靶向蛋白降解技术，它基于基因编码直接将肽或抗体模拟物与E3连接酶融合，通过肽或蛋白识别域结合并降解目标蛋白。由于BioPROTAC依赖于基因编码，因此存在一定的局限性。
结语
靶向蛋白降解技术的前途十分光明。尽管靶向蛋白降解技术存在一些悬而未决的问题和挑战，例如，如何改善PROTAC分子的整体药代动力学特性，S-guanylation介导的K63泛素化的具体分子机制是怎样的，能否利用AUTAC来降解COVID-19的关键蛋白等。但毫无疑问，靶向蛋白降解技术填补了靶向“不可药物”蛋白的空白，并提供了基于药物化学的新的治疗途径。同时，靶向蛋白降解技术一般是将小分子药物设计成为一种新型的药物，这无疑也为小分子药物的用途提供了广阔的思路。
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Thalidomide
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缩写：TPD：TargetedproteindegradationCI-M6PR：Cation-independentmannose-6-phosphatereceptorPOI：Proteinofinterest
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