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317: PROTAC 和分子膠降解劑（PROTACs and Molecular Glue Degraders）
在我們的細胞內，蛋白質不斷合成，以執行維持生命所必需的無數功能。當蛋白質受損、錯誤折疊或不再需要時，它們會被分解成胺基酸並回收。蛋白質降解主要由泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system）執行。該系統透過共價連接泛素分子鏈來標記待降解的蛋白質。蛋白酶體（proteasome）辨識泛素鏈，並將標記的蛋白質分解成短勝肽片段。
蛋白質泛素化是一個受到嚴格調控的多步驟過程。首先，E1酶活化泛素並將其傳遞給E2酶。接下來，E3泛素連接酶將含有泛素的E2酶與目標蛋白結合，導致目標蛋白被泛素化，並成為蛋白酶體降解的目標。該通路的發現榮獲2004年諾貝爾化學獎，並促成了旨在選擇性降解致病蛋白的新療法的開發。
沙利度胺：一種開創性的分子膠降解劑
該領域最重要的突破之一始於一場悲劇。在1950年代末和60年代初，沙利度胺被廣泛用於治療孕婦的晨吐。直到全球成千上萬的兒童出生時患有先天缺陷，尤其是肢體畸形，沙利度胺才被確認為強效的人類致畸物質。儘管臭名昭著，沙利度胺仍被少量用作鎮靜劑，研究人員發現沙利度胺及其衍生物在治療某些疾病（例如麻風病leprosy 和多發性骨髓瘤multiple myeloma）方面非常有效。然而，直到2010年，沙利度胺的作用機轉才被闡明。
沙利度胺的作用機轉是與一種名為cereblon的蛋白質結合，cereblon是E3泛素連接酶複合體的組成部分。在正常細胞中，cereblon E3連接酶（CRBN）靶向那些C端帶有環狀酰亞胺修飾（C-terminal cyclic imide modification）的蛋白質，這種修飾是由於蛋白質損傷或酶促作用引起的。然而，當與沙利度胺結合後，CRBN的泛素化標靶會改變，轉而泛素化另一類完全不同的蛋白質，例如鋅指轉錄因子Ikaros（IKZF1）和Aiolos（IKZF3）。破壞這些新的標靶是沙利度胺致畸和治療效果的共同原因。
沙利度胺及其類似物（如來那度胺lenalidomide 和泊馬度胺pomalidomide）是最早發現的分子膠降解劑（molecular glue degrader）類藥物之一。這類藥物的作用機轉通常是與E3連接酶的底物結合域強力結合，抑制正常底物的結合，同時改變結合界面，使其能辨識新的底物。上圖顯示了cereblon E3連接酶（藍色）與沙利度胺類似物泊馬度胺（橘色）以及轉錄因子Ikaros（粉紅色）的結合（結構分別來自pdb_00006h0f和[[PDB:pdb_000004a0k]]）。
小分子能夠有效「重編程」細胞降解系統，這項發現為藥物研發開闢了新的前景。目前，已有超過20種分子黏附降解劑進入臨床試驗階段，其中一些已進入III期臨床試驗，用於治療多發性骨髓瘤和B細胞淋巴瘤（B-cell lymphoma）等癌症。
PROTAC：用於蛋白質降解的模組化方法
雖然分子黏附降解劑可能有效，但人們發現，合理設計這些小分子以標靶特定蛋白質十分困難。 PROTAC（全稱為PROteolysis TArgeting Chimeras，即蛋白水解靶向嵌合體）於2001年首次提出，並採用了更簡單的設計方法。 PROTAC分子是一種雙頭分子：一端特異性結合標靶蛋白，另一端結合E3泛素連接酶。兩個頭部之間由一個短的連接肽連接。透過將標靶蛋白與E3連接酶連接，PROTAC可以誘導泛素化並最終降解目標蛋白。
早期的PROTAC是基於蛋白質設計的，使用短肽序列連接E3連接酶和標靶蛋白。目前，PROTAC主要採用化學連接子連接小分子配體。例如，PROTAC MZ1（左圖中黃色部分）靶向BRD4（粉紅色部分），一種參與某些癌症和免疫介導疾病的轉錄因子，以及von Hippel-Lindau E3連接酶（藍色部分，結構來自pdb_00005t35和[[PDB:pdb_00005n4w]w]）。
PROTAC「即插即用」的設計使其能夠高度適應多種潛在的治療標靶。目前，全球已有超過50種的PROTAC正在進行臨床試驗，其中包括幾種針對乳癌和攝護腺癌的III期臨床試驗。
探索結構
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Cerablon E3泛素連接酶可呈現多種立體化學構象，包括開放構象（pdb_00008cvp）和底物結合及降解所必需的閉合構象。近期研究表明，分子膠降解劑能夠穩定閉合構象（pdb_00008d7u），而效力更強的降解劑（例如沙利度胺衍生物美西格度胺mezigdomide）則能更有效地穩定閉合狀態。因此，標靶蛋白Ikaros（pdb_00008d7z）的泛素化和降解得到促進，從而提高了治療效果。
進一步的討論議題
- 讓我們來了解泛素和泛素化机制和蛋白酶體。
- 讓我們來了解生长素（auxin），這是一種天然的分子膠降解劑，在植物發育中起著重要作用。
- 缺氧诱导因子α（Hypoxia-inducible factor α，HIF-α）是一種轉錄因子，可透過泛素-蛋白酶體途徑快速降解。
參考文獻
- pdb_00006h0f 2018 Nov 2 Defining the human C2H2 zinc finger degrome targeted by thalidomide analogs through CRBN. Science 362 6414 eaat0572
- pdb_00005t35 2017 May Structural basis of PROTAC cooperative recognition for selective protein degradation. Nat Chem Biol 13 5 514-521
- pdb_00004a0k 2011 Nov 23 The molecular basis of CRL4DDB2/CSA ubiquitin ligase architecture, targeting, and activation. Cell 147 5 1024-1039
- pdb_00005n4w 2017 Jun 6 Structure 25 6 901-911.e3
- pdb_00008cvp, pdb_00008d7u, pdb_00008d7z 2022 Nov 4 Molecular glue CELMoD compounds are regulators of cereblon conformation. Science 378 6619 549-553
- 2010 Mar 12 Identification of a primary target of thalidomide teratogenicity. Science 327 5971 1345-1350