癌症仍是目前全球首要的健康问题。直至2025年，估计每年新发癌症患者近200万。目前癌症治疗最大的进展发生在癌症免疫疗法和靶向治疗方面，但是面对巨大的癌症问题，我们需要多种治疗策略来应对。许多癌症靶向药物是一些小分子或单克隆抗体，可抑制那些驱动肿瘤生长的蛋白质的活性。然而，许多癌细胞常常会对这类药物产生耐药性，癌细胞可通过靶向蛋白的过表达，或靶蛋白产生新的突变，来逃逸这类药物的抑制效应。
过去15年来，一些研究人员在寻找其他可替代的抗癌方法，希望通过控制蛋白的表达水平而不是蛋白的活性来达到调控蛋白功能的目的。控制蛋白表达水平可以通过控制体内蛋白质稳态来达到，这一策略源于一项研究发现：那些可以阻断蛋白降解的蛋白酶体抑制剂具有抗肿瘤效果。此外，研究人员还探索了其他方法，可通过调控泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）来达到稳定或促进疾病相关蛋白的降解。例如，通过破坏蛋白质和泛素E3连接酶的相互作用来影响蛋白质的降解。
“占位驱动”药物的局限性
在这个后基因组时代，科学家对癌症的驱动分子有了更好的了解，这产生了数种成功的抑制酶活性的癌症疗法，这些酶包括蛋白激酶、组蛋白脱乙酰基酶类和多聚ADP-核糖聚合酶。这些小分子抑制剂通常都占据了一个结合袋或活性位点，导致蛋白质功能丧失——“占位驱动”。对于这种模式的药物来说，由于大多数是非共价键结合（因此可逆），维持高的药物浓度来确保持续占据活性位点对于维持其疗效是必需的。然而，要达到和维持高的全身药物浓度是药物开发中的一大难题，而且使用高剂量的小分子药物很有可能带来副作用的发生。
“事件驱动”药物策略
在“事件驱动”模型中，只需要小分子药物短暂地与致癌蛋白结合，给致癌蛋白打上“需要清理”的标签就可以了，即通过短暂的结合事件来导致蛋白功能丧失。该策略涉及UPS系统，通过泛素化来降解标记的蛋白。这类药物不需要很高的浓度，可以循环使用。由于降解的抑制效应得以逆转，靶蛋白必须重新合成。通过泛素-蛋白酶体系统降解蛋白分为几步，先由 E3 连接酶给靶蛋白加上一个泛素蛋白的标签，然后蛋白会经过多轮泛素化后带有多个泛素标签，多聚泛素化之后的蛋白会被26S蛋白酶体识别并被降解。
既能抑制蛋白活性又能促进蛋白降解的小分子
早期研究显示，一些抑制致癌蛋白活性的小分子还能促进降解靶蛋白。例如，卡奈替尼（Canertinib）是一种不可逆的酪氨酸激酶抑制剂，可诱导ErbB-2的多聚泛素化和降解。又比如，雌激素受体（estrogen receptor alpha，ERα）的抑制剂氟维司群可以促进 ERα的降解。在ERα阳性的乳腺癌患者中，氟维司群比另一个没有促进蛋白降解作用的 ERα抑制剂他莫昔芬的疗效更好。对于急性早幼粒细胞白血病非常有效的三氧化二砷，同样可促进常见的融合蛋白PML-RARα的降解。最近开发的用于多发性骨髓瘤的免疫疗法药物来那度胺，发现也可以诱导一个激酶CK1α和两个在多发性骨髓瘤中非常重要的转录因子Ikaros和Aiolos的泛素化和降解。这些药物的成功引起了整个行业对于促蛋白降解药物的兴趣。然而，研究人员是在偶然的情况下才发现上述药物具有促进蛋白降解的功能。如何针对特定蛋白设计降解蛋白的药物仍然是一个挑战。
蛋白水解靶向嵌合体策略
通常E3泛素连接酶需要一个特殊的识别信号来招募并泛素化其靶蛋白，而蛋白水解靶向嵌合体（Proteolysis targeting chimeras，PROTACs）技术的出现使得所有靶蛋白达到同样的结果，即便是那些未被天然泛素化的蛋白。这项技术设计一个双重功能的分子，其一端可以结合靶蛋白，另一端结合 E3 连接酶，并将两者形成一个聚合物。此时 E3 就能够泛素化靶蛋白并引导靶蛋白进入降解通路。第一代的PROTAC分子成功地在体外实验中将在乳腺癌和前列腺癌中有重要作用的雌激素受体和雄激素受体泛素化并降解。不过，第一代PROTAC是多肽，细胞渗透性低，这可能导致效果不理想。后续的研究致力于开发真正的小分子 PROTAC。小分子PROTAC由三部分组成：靶向结合的配体、结合E3连接酶的配体和前述两个组分的连接体。成功的PROTAC需要使上述三个组分达到最优化。尽管人类内源性的E3 连接酶有超过700种，但PROTAC技术很大程度上限制在很少几种E3连接酶，这几种E3连接酶已经开发出了小分子配体，如cIAP1。除了靶蛋白的配体和 E3 连接酶的配体之外，两者之间的连接体也非常重要，其长度、亲疏水程度和刚性都影响PROTAC的功能。最近的一些研究显示，三种组分的一个小变化也能对整个PROTAC的功能产生巨大的影响。
还有一些类似PROTAC的策略类也可以促进蛋白降解。其中一个例子是融合了cIAP1的配体MeBS和视黄酸受体的配体全反式维甲酸（all-trans retinoic acid，ATRA）的杂合化合物。该杂合化合物可以招募cIAP1，进而泛素化和降解细胞内的视黄酸结合蛋白，这些蛋白在急性早幼粒性白血病和神经母细胞瘤中有重要作用。这类被称之为SNIPER PROTAC的小分子直接把靶蛋白的配体和MeBS融合在一起。同样使用SNIPER技术，通过他莫昔芬（ERα配体）靶向乳腺癌中的 ERα也在体外实验中取得了较好的效果。另外，基于蛋白质上的疏水基团来吸引UPS系统也是一种选择。通常蛋白质中的疏水部分都被包埋在蛋白内部，只有当蛋白质不正常折叠时疏水基团才会被暴露出来。E3 连接酶能够自动识别这些疏水基团并降解这些不正常折叠的蛋白。因此，在一个靶蛋白的小分子配体上加上一个疏水基团就可以引来E3连接酶。已经有研究人员将这个想法加以应用，制造出了可以降解HER3和雄激素受体的小分子药物。
结论
靶向蛋白降解最有吸引力的地方在于它可以靶向那些一般认为不可成药的蛋白靶点，这些蛋白大约占了人类蛋白质组的80%。由于“事件驱动”的靶向蛋白降解可以通过结合靶蛋白表面的几乎任何一个位点，而不仅仅是活性位点，来达到选择性的降解蛋白的目的，因此理论上这个策略可以用于任何一个蛋白质降解。此外，靶向蛋白降解还可以对那些已经产生耐药性的肿瘤发挥作用。最后，靶向蛋白降解策略也会给其他疾病的治疗带来新思路和新的可能。
（作者：包丽霞)
参考文献：Science 2017;355:1163-1167