分子胶粘上风口了

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研究人员已经用双功能蛋白质降解剂（ PROTAC） 劫持了人体的蛋白质处理系统。小分子胶水可以事半功倍——但我们能找到它们吗？

简单来说
治疗疾病的一种方法是将负责伤害的蛋白质束缚在一种酶上，这种酶会导致它们被细胞自身的机器破坏。研究人员为此设计了双功能分子，但它们的大小可能会带来挑战，而且它们所针对的蛋白质需要有一个结合点。另一种解决方案可能是分子胶水：通过粘附在酶上并改变其表面形状将目标蛋白质和酶结合在一起的小分子。胶水不需要蛋白质中的可药用口袋，这意味着可以靶向更多的蛋白质。已经发现了一些难以捉摸的分子，但通常是偶然发现的。现在科学家们正在竞相寻找和设计更多。最终，公司希望开发出方法来为任何感兴趣的蛋白质寻找分子胶水。

在1950 年代末和 60 年代初，医生开了一种药物作为镇静剂来治疗孕妇的晨吐。它作为安全产品在市场上销售，在 46 个国家/地区以多种名称出售；它现在最常被称为沙利度胺。1961 年，很明显，出生时患有严重身体异常的婴儿突然增加与子宫内的沙利度胺暴露有关。由于这种药物，数千名儿童出生时四肢畸形和其他损伤。
大多数国家在 1961 年将沙利度胺从其市场上撤出。不过，在某些地方仍然可以买到。1964 年，一位医生将它作为一种镇静剂，用于治疗患有皮疹等炎症性并发症的麻风病患者。沙利度胺在几天内清除了喷发。
沙利度胺治疗麻风并发症的能力促使研究人员在其他几种炎症和皮肤疾病上对其进行测试。1994 年，研究人员报告说它可能会干扰新血管的生长，这一发现引发了人们对如何将其用于治疗肿瘤的新兴趣。在 90 年代后期，人们发现沙利度胺可有效治疗多发性骨髓瘤，这是一种浆细胞癌。
研究人员还不知道，但导致先天性疾病的机制，至少在一定程度上，可能与抗击癌症的机制相同。事实上，科学家发现沙利度胺是一种分子胶需要几年时间。
术语分子胶是指将两种蛋白质粘合在一起的小分子。最常见的类型将一种靶蛋白（通常是引起疾病的蛋白）与一种酶联系起来，这种酶会导致靶蛋白被细胞的蛋白质降解机制分解。



图源：Degron Therapeutics公司分子胶（粉红色）与 E3 连接酶成分 cereblon（绿色）结合，以不同的方式改变其表面以招募不同的蛋白质靶标。

在体内，胶水分子首先与一种称为 E3 泛素连接酶的酶结合，改变连接酶表面的形状，使其能够与目标蛋白结合。一旦三者结合在一起，E3 连接酶就会在蛋白质中添加一条泛素分子链；该链充当细胞蛋白质降解机制的信号，以切断目标蛋白质。分子胶的新颖之处在于它们选择了一种自然的细胞过程，并迫使 E3 连接酶和通常不与它们结合的蛋白质之间发生相互作用。结果是按需降解引起疾病的蛋白质。
在因晨吐而服用沙利度胺的人中，该药物可能以多种方式起作用，包括破坏正常胎儿发育所需的蛋白质。它似乎还能够标记在多发性骨髓瘤中起关键作用的破坏蛋白质，因此它在治疗该疾病方面取得了成功。
哈佛大学化学生物学家、蛋白质降解领域的开拓者 Stuart Schreiber 说，研究人员在 1990 年代初首次发现了分子胶。Schreiber 还与人共同创立了麻省理工学院和哈佛大学的博德研究所以及多家初创企业，包括分子胶水公司 Magnet Biomedicine。
Schreiber 想确定几种天然产物药物或候选药物如何充当免疫抑制剂，可用于预防器官移植排斥等。时任 Schreiber 实验室博士后的 Jun Liu 发现天然产物会导致两种蛋白质相互结合，从而中断免疫信号通路。

“这三种天然产物，非常复杂的结构，具有这些惊人的作用机制，”Schreiber 说，他首先在一次小组会议上创造了分子胶，然后在 1992 年的细胞论文（DOI：10.1016/0092-8674（92 )90158-9 )，来描述这种现象。“我想，嗯，我们化学家可能无法做到这一点”——制造分子胶——“这太复杂了…… . . 也许真的需要十亿年的自然选择才能实现这一目标。”
施赖伯现在说，这是他“没有看到未来”的地方。因为虽然发现分子胶水并不容易，但它是可以做到的——研究人员和公司已经迎接挑战。在过去的一年里，一波公司已经启动或筹集了大量资金来开发新的分子胶水。所有人都在努力设计或发现针对以前被认为无法成药的致病蛋白质的胶水，这意味着它们不易受到现有阻止它们的方法的影响。最终目标——能够为任何蛋白质靶标找到分子胶——可能还很遥远，但寻找胶水的系统方法正在产生新的临床候选物。
胶水的兴起
Schreiber 说，一旦他意识到设计分子胶水的巨大挑战，他和他的同事 Gerald Crabtree 就设计了一个变通方案。
“我们说，'为什么我们不找到一种蛋白质的结合剂和另一种蛋白质的结合剂，然后将它们化学缝合在一起？' “ 他说。
从本质上讲，他们采用了分子胶的概念——一种可以连接两种蛋白质的单一分子——并将其功能分离到一个更大分子的相对末端。每一端，通过一个连接器连接，可以定制以招募自己的蛋白质。当一种被招募的蛋白质是破坏另一种蛋白质的 E3 连接酶时——类似于分子胶降解剂所做的——这种双功能化合物被称为蛋白水解靶向嵌合体，或PROTAC。
这种靶向蛋白质破坏提供了优于抑制的显着优势，抑制是更常见的蛋白质靶向策略。抑制剂分子与蛋白质结合，阻止蛋白质发挥其预期作用。但抑制剂必须与单个蛋白质保持结合才能停止其作用，这需要比 PROTAC 更高的剂量，并可能导致更高的毒性。另一方面，PROTAC 可以反复使用。一旦它的目标蛋白质被破坏，它就可以与另一个蛋白质结合并重复这个过程。
近年来，PROTACs作为药物的发展蓬勃发展。Arvinas是一家由耶鲁大学生物化学家 Craig Crews 创立的公司，在 2 期试验中有两名候选药物，一款用于治疗前列腺癌，另一款与辉瑞合作治疗乳腺癌。其他几个，包括Nurix Therapeutics、Kymera Therapeutics 和Foghorn Therapeutics，在第一阶段有候选药物，主要用于癌症。
胶水与 PROTAC
分子胶结合并改变 E3 连接酶的表面，从而改变足够的形状以使靶蛋白能够附着。它们比靶向蛋白水解的嵌合体 (PROTACs) 小，PROTACs 有一个独特的末端与连接酶结合，另一个末端与靶蛋白结合。一旦 E3 连接酶和蛋白质结合在一起，E3 连接酶就会使目标被泛素蛋白链标记。泛素链向身体表明该蛋白质已准备好处理。



图源：改编自 C4 Therapeutics

尽管 PROTAC 很有前景，但它们的多模块性质意味着它们是相对较大的分子，这可能使生物利用度成为挑战。PROTACs 还要求目标蛋白有一个结构口袋供一端结合，而且并非所有蛋白质都有一个。分子胶水有可能克服这些障碍。
“分子胶降解剂的主要优势在于它们可以利用将两个蛋白质界面结合在一起形成的集体结合口袋，”加州大学伯克利分校的化学生物学教授 Daniel Nomura 说，他是Frontier Medicines的共同创始人并创立了Vicinitas Therapeutics分别通过降解和稳定来靶向通常无法成药的蛋白质。
“你可能没有足够的表面来单独结合任何一种蛋白质，”野村说。“但是当你现在通过一个小分子将这两种蛋白质结合在一起时，你会在那里创造出足够多的口袋来进行足够的相互作用以将这些蛋白质粘合在一起。” 他指出，这种策略可能允许更广泛的以前无法成药的蛋白质成为目标。

Schreiber 说，没有一个特别的时刻引发了今年对分子胶水的兴趣“爆发期”。是的，新工具推动了该领域的发展，但这是 30 年来的复兴。“这不是任何人忘记潜力或不努力的故事，”他说。“这是一项连续不断的活动，就像一砖一瓦一样。”
摆脱困境
寻找一体化蛋白质连接器是一项巨大的挑战，直到最近，许多化合物的分子胶特性——例如沙利度胺的特性——都是偶然发现的。但是调整已知的分子胶水以找到新的更有效的版本是一种富有成效的策略。
2019 年，百时美施贵宝 (BMS) 收购了自 90 年代末以来一直在销售沙利度胺的新基 (Celgene)，从而加大了在分子胶游戏中的股份。美国食品和药物管理局于 1998 年批准它用于麻风并发症，并于 2006 年批准用于多发性骨髓瘤。
Celgene 还开发了更有效的药物类似物。2006 年，FDA 批准其中一种来那度胺用于治疗多发性骨髓瘤。该机构于 2013 年批准了第三种甚至更有效的类似物泊马度胺，作为另一种多发性骨髓瘤治疗药物。基于这种专业知识，BMS 在多发性骨髓瘤、淋巴瘤和急性髓细胞瘤等疾病的 1 期和 2 期试验中拥有几种新的胶水白血病。
BMS 收集的新胶水候选物为有意胶水发现提供了某种概念证明。它表明可以系统地找到用于临床开发的胶水候选物。
大多数从事胶水发现的公司都试图通过混合和匹配传统的药物发现方法来寻找分子。例如， Degron Therapeutics使用三种不同的筛查方法，首席执行官 Lily Zou 说。第一个，称为表型筛选，将候选药物与目标进行对比——在 Degron 的案例中，是癌细胞系。如果候选药物以依赖 E3 连接酶的方式有效杀死癌症，研究人员将确定哪些蛋白质被降解，并确认该药物起到了分子胶的作用。

巴塞罗那生物医学研究所靶向蛋白质降解专家 Cristina Mayor-Ruiz 在一封电子邮件中说，这种类型的屏幕“类似于大海捞针”。“你只需要建立一个细胞分析，让你找到它。”
在其第二种方法中，Degron 使用质谱法来确定当蛋白质用候选胶处理时蛋白质水平如何变化。在这种类型的筛选中，将胶水引入含有称为 cereblon 的 E3 连接酶成分的细胞（与沙利度胺靶向的相同）和不含它的细胞中的蛋白质。如果蛋白质水平仅在含有连接酶的细胞中降低，则证实蛋白质通过分子胶水机制降解。在用胶水降解的蛋白质中，Degron 专注于靶向那些在疾病中起关键作用的蛋白质。
第三种方法依靠人工智能来预测哪些蛋白质目标可能容易被胶水降解。Degron 研究人员随后寻找一种化合物作为该目标的胶水。
只有在已知事物的情况下，您才能进行设计。
Markus Warmuth，Monte Rosa 首席执行官
其他胶水公司将人工智能视为其发现过程的关键部分。Triana Biomedicines使用深度学习算法根据蛋白质表面特征选择 E3 连接酶，以补充公司目标定位的蛋白质。Monte Rosa Therapeutics使用人工智能驱动的深度神经网络来识别表面特征，这些表面特征可作为潜在靶蛋白上 E3 连接酶的识别信号。
尽管公司有许多发现分子胶水的方法，但与 PROTAC 不同，到目前为止，胶水还不能从头开始设计和制造。研究人员通过采用两个不同的配体来设计 PROTAC，每个配体都有一个目的，并通过一个接头将它们化学连接起来。相比之下，分子胶是一种与两种蛋白质结合的微小分子，而确定能够做到这一点的原子构型要困难得多。一些公司表示他们正在设计而不是寻找胶水。但这通常是如何定义这些术语的问题。
例如，Monte Rosa 的首席执行官 Markus Warmuth 认为公司的工作属于设计范畴。但他指出，没有一种分子胶水可以完全从零开始制造。
“事实是，只有在已知事物的情况下，你才能进行设计，”他说。“对我来说，这有点像获取一个你知道的核心，并通过输入结构信息，以一种有意义的方式扩展化学空间。” 他认为这与经典的药物发现不同，后者是“制造数百万个分子，看看有什么能坚持下去”。

Shanique Borteley Alabi是一位曾在 Monte Rosa 工作的分子胶专家，他同意从分子胶的设计中发现并没有硬性规定。“如果你有某种假设，或者你不仅可以去钓鱼，还可以使用某种结构洞察力让自己了解什么可以结合——在胶水的世界里，我会允许它被称为合理的设计，”她说。
无论公司是否能够真正设计出分子胶水，他们都获得了大量资金来尝试。Degron 在 6 月份获得了 2200 万美元的 A 轮融资，是众多胶水公司推出或赢得投资的最新一家。Triana 于 4 月以 1.1 亿美元出现；资助者包括辉瑞的风险投资部门。Monte Rosa 于 2021 年 6 月上市，股票代码为“GLUE”，首次公开募股为 2.22 亿美元。
大型制药公司也参与其中。BMS在 5 月向合同研究公司 Evotec支付了 2 亿美元，以将 2018 年的胶水合作再延长 8 年，并在 6 月与总部位于维也纳的胶水公司 Proxygen 达成了价值高达 5.54 亿美元的合作伙伴关系。一些早期胶水公司表示，他们将癌症和炎症视为疾病目标，但大多数不会比这更具体。
几种分子胶水已经进入临床试验阶段。诺华有一个候选药物 NVP-DKY709，处于晚期实体瘤的第一阶段。拜耳与布罗德研究所共同开发了一种分子胶候选药物（BAY 2666605），处于转移性黑色素瘤和其他晚期实体瘤的第一阶段。C4 Therapeutics是从 Jay Bradner 在 Dana-Farber 癌症研究所的研究中分离出来的，有两个处于 1 期试验的候选药物——一个分子胶和一个 PROTAC。胶水 CFT7455 正在试验治疗多发性骨髓瘤和淋巴瘤，PROTAC CFT8634 正在测试滑膜肉瘤和某些实体瘤。
C4 的首席科学官 Stew Fisher 在谈到 PROTAC 和胶水时说：“我们并没有真正打算成为一家双功能降解剂公司或一家单功能降解剂公司。” 相反，该公司做出了战略决策，专注于研究充分的 E3 连接酶成分 cereblon，并开发最适合目标蛋白质的降解剂，无论其类型如何。
这是蛋白质；我要把它粘起来。 
Shanique Borteley Alabi，分子胶水专家
尽管嗡嗡声越来越高，但分子胶在临床上的兴趣并没有超过 PROTAC。十多个 PROTAC 处于临床开发阶段——其中一些处于 2 期试验阶段——并且没有迹象表明它们的发展正在放缓。
“PROTAC 的设计当然是模块化的。而且我认为它们会长期存在，”伯克利科学家和企业家野村说。“但由于这些单价分子胶降解剂具有更多类似药物的特性，如果我们能够更系统地发现这些东西，我认为这将在药物发现领域站稳脚跟。”
胶水的下一步是什么？
大多数分子胶水旨在将目标蛋白质粘附到触发降解的连接酶上，但胶水原则上可以将任何两种蛋白质粘合在一起。一些公司不想只破坏目标，因此他们正在探索 E3 连接酶以外的蛋白质。
例如，Generian Pharmaceuticals最近与Astellas Pharma 的子公司合作，以超越降解。这些公司正在寻求小分子，不仅可以降解蛋白质靶标，还可以激活和稳定它们。例如，Generian 首席执行官 Hank Safferstein 表示，该公司已经致力于稳定随着年龄增长而下降的蛋白质。
“有很多蛋白质复合物需要理想地粘合在一起，最终结果不会降解，”野村说。“例如，选择性地将特定的蛋白质复合物粘合在一起，而不是其他操纵转录的复合物。. . 这是一个更具挑战性的问题。我认为这就是该领域的发展方向。”

随着科学家和公司不断磨练他们的发现和设计方法，胶水领域的许多竞争者都将目光投向了同一个崇高目标：一种为任何蛋白质目标寻找分子胶水的按需方法。
有了这种能力，研究人员就可以为任何可以粘合的致病蛋白质开发小分子药物。但这不是一项简单的任务。即使随着技术和发现方法的进步，胶水也很难找到，而且它们不能像 PROTAC 那样从头设计。找到一种为任何疾病目标轻松生产胶水的方法将是一项不小的壮举。
“我们不在那里，我可以说，'这是蛋白质；我要把它粘起来，'”阿拉比说。“我认为这不是 5 年的事情，也可能不是 10 年的事情。我想我们还有很多要了解的。. . 但我认为作为一个领域，我们在这个方向上做得很好。”
临床实验中的分子胶

经美国食品药品监督管理局批准或正在进行临床试验的一系列分子胶。
















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