阿尔茨海默病、癌症……看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

【重磅录像】颜宁:“AI在结构生物学中的未达之地”

靶向蛋白降解(TPD)技术基于一种独特的药理机制,通过克服传统小分子药物的局限性,给医学研究带来了深刻的变革,其中的代表蛋白水解靶向嵌合体(PROTAC),更是掀起了一阵研发热潮。

自噬是一种细胞内废物处理和回收的机制,在医学研究中是一个重要的生物学过程。近年来,研究表明几种新出现的自噬降解物可以治疗人类疾病。这些自噬降解物在治疗神经退行性疾病方面表现出良好的潜力,为TPD的医学研究提供了新的治疗途径。

 

01

背景介绍

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

靶向蛋白降解(TPD)是一种克服传统药物难以治疗复杂疾病的新技术。与普通的小分子药物策略不同,TPD技术能够降解作为虚拟生物信号传输节点的目标蛋白,用于预防和治疗人类疾病。
基于TPD的降解剂通过将其生物目标接合在传统小分子抑制剂所针对的结合区之外的区域,能够选择性降解不可成药的目标蛋白。这使得基于TPD的降解剂具有更广泛的生物靶标,在较低剂量下具有较强的降解效力,并具有克服耐药性的潜力。
阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

图1. 降解技术发展时间表

溶酶体系统是一种独立于蛋白酶体的关键降解系统,可通过内吞作用、吞噬作用和自噬作用降解各种物质。最近,几个著名的团队开发了一种使用自噬(自噬-溶酶体途径)来清除目标物质的新兴降解技术:

  • 自噬体栓系化合物(ATTEC)直接结合自噬受体微管相关蛋白1A/1B轻链3(LC3)来触发细胞内蛋白和非蛋白物质的降解(图2a);

  • 自噬靶向嵌合体(AUTAC)诱导K63连接的多聚泛素化进行选择性降解(图2B);

  • 自噬靶向嵌合体(AUTAC)锚定在SOSTM1/P62复合物上进行自噬降解(图2C)。

与PROTACs相比,参与自噬-溶酶体途径的降解物可以去除与复杂神经退行性疾病和人类癌症相关的细胞外蛋白、蛋白聚集物、受损或功能失调的细胞器等。这些新的治疗技术为药物的革新和加速发现以及可能预防和治疗人类疾病提供了前所未有的机会。

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

图2. 在医学研究中利用自噬的新型降解剂的阐述。(a) ATTEC直接结合自噬受体LC3降解细胞内蛋白和非蛋白物质。(b) AUTAC诱导k63-linked多聚泛素化(聚脲)进行选择性降解。(c) AUTOTAC锚定到SOSTM1/p62复合体进行自噬降解。

 

02

采用自噬-溶酶体途径的降解物

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

自噬这个词来自希腊语“auto”,意思是自我,“phagy”,意思是吃,合在一起就是“吃自己”。自噬是一种细胞内废物处理和回收的机制,在医学研究中是一个重要的生物学过程。通常,哺乳动物细胞中存在三种类型的自噬来调节细胞稳态:大自噬、微自噬和伴侣介导的自噬(CMA)。
大自噬(或简称自噬)具有一种普遍的机制和特征,其特征是被称为自噬小体的双膜囊泡,自噬降解物在其中直接发挥作用。当应激条件(如营养或能量饥饿)触发时,自噬会降解不必要的物质,以确保细胞存活。这一特点为利用自噬治疗疾病提供了生理学基础。
自噬包括一系列步骤,包括吞噬体的启动、组装、与溶酶体的融合以及靶物质的降解。不同的蛋白或蛋白复合物启动和控制这些过程,不同的蛋白质或蛋白质复合物启动和控制这些过程,为设计出吞噬过程高效降解剂提供了途径。
Arimoto的团队报告了一种新的降解技术,称为自噬靶向嵌合体(AUTAC),其结构与PROTAC相似(图2b)。AUTAC降解器的一端固定一个标签组,模仿s -鸟苷化,触发POI k63-多聚泛素化,这被自噬受体SQSTM1/p62复合体识别,随后发生选择性自噬降解。
受AUTAC的启发,Kwon等人 通过在连接器的一端加入自噬靶向配体(ATL)和另一端加入靶向结合配体(TBL)构建了AUTOTAC平台图2c)。AUTOTAC与POI(目标蛋白质)和SQSTM1/p62结合,形成LC3可识别的复合体。这将POI传递到自噬体进行溶酶体降解。

 

03

神经退行性疾病

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

神经退行性疾病(NDs)常伴有神经元功能的进行性丧失甚至神经元死亡,导致亨廷顿病(HD)、阿尔茨海默病(AD)、或帕金森病(PD)。错误折叠蛋白的细胞聚集是NDs的病理标志,通常情况下可通过自噬去除错误折叠和异常表达的蛋白,以实现神经元细胞蛋白质代谢稳态。

但当自噬过程被破坏时,受损蛋白迅速积累,导致NDs并阻碍神经元信号传递。基于PROTAC的ND相关蛋白降解机制尚不清楚。然而,使用自噬降解剂去除与NDS相关的大分子蛋白质或蛋白质聚集物证明了自噬降解剂固有的细胞降解能力。

3.1自噬体栓系化合物(ATTEC)亨廷顿疾病中的作用

亨廷顿病(HD)是研究最广泛的NDs之一,是由亨廷顿基因(HTT)外显子1的CAG三核苷酸重复扩增引起的,表现为不自主的舞蹈动作、认知障碍和精神异常。大量证据表明,选择性清除突变型亨廷顿蛋白(MHTT)而不是野生型HTT蛋白(WTHTT)必须是治疗HD的主要策略。

目前已有3种方法用于降低MHTT水平,包括:(1)利用基因修饰工具下调MHTT蛋白的基因治疗(2)调节基因69-73和剪接修饰剂降低MHTT蛋白水平;(3)增强自噬和蛋白质稳定降低MHTT表达。

然而,各种非特异性/副作用限制了它们在临床上的进一步应用。最近,Lu等人提出了一种利用ATTECs选择性降解MHTT的直接策略(图3,左下角)。利用基于小分子微阵列的筛选,Lu等人鉴定出四种与LC3和MHTT相互作用导致降解的化合物(GW5074、AN1、AN2和ispinesib)。

MHTT和WTHTT之间最重要的区别是MHTT含有一个扩展的聚谷氨酰胺(polyQ)区域,为选择性降解提供了一个靶点。这些小分子可以靶向polyQ区域,表现出比MHTT – protac更好的选择性和更低的最大降解率(Dmax)。这些化合物在不干扰WTHTT的情况下,以浓度依赖的方式成功地选择性地降解了MHTT,证明了TPD治疗HD的可行性。

使用自噬抑制剂,如NH4Cl或氯喹,阻断了ATTEC的mht降低作用,表明小分子化合物在自噬机制中参与选择性降解。外周注射这些化合物可观察到血脑屏障(BBB)通透性和MHTT降低作用,为治疗HD和其他多肽类疾病的药物发现提供了可能。

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

图3. 利用自噬来治疗神经退行性疾病的降解剂。

3.2AUTOTAC在阿尔茨海默病(AD)中的应用

AD是一种复杂的神经系统疾病,常见于老年人,并伴有早期记忆丧失和晚期严重的认知功能障碍。目前学术界对AD的发病机制尚无权威的解释,尽管有三个主要假说,包括(1)细胞外β-淀粉样蛋白(Aβ)异常沉积导致神经性老年斑;(2)高度磷酸化的Tau蛋白异常聚集导致神经元终末树突和轴突细胞营养不良萎缩;(3)基底前脑胆碱能神经元严重丢失导致乙酰胆碱转移酶活性下降,阻碍正常的乙酰胆碱代谢。

目前针对AD的治疗包括(1)恢复脑内神经递质水平的药物治疗(如淀粉样蛋白药物、Tau抑制剂、神经保护剂和抗炎药); (2)基因治疗,通过编辑Tau蛋白相关基因序列减少或去除大脑中的Tau蛋白; (3)免疫治疗,防止或去除Aβ斑块。尽管利用PROTAC机制降解ad相关蛋白方面取得了显著的进展,但Tau蛋白的选择性差、无法获得蛋白聚集物以及体内膜通透性差限制了其应用。

最可行和最直接的AD治疗策略是通过自噬降解Aβ和Tau聚集物。

由Kwon等人创建的AUTOTAC平台显示,与PROTAC机制相比,突变Tau蛋白具有更强的选择性降解能力(图3,左上)AUTOTAC结构由配体ATL和TBL组成。一旦ATL连接到p62,暴露PB1和LIR结构域,p62/POI复合物通过PB1进行自聚合。LIR促进其与自噬膜上LC3的相互作用并进入自噬小体降解。

AUTOTAC PBA-1105诱导TauP310L的自噬降解在不依赖于连接子长度的1 ~ 10 nM DC50处表现出极高的有效性,这是在PROTAC中检测到的一个关键因素。在转基因小鼠模型中,每周注射20或50毫克/公斤Autotac PBA-1105三次,连续一个月,观察到TAUP301L聚集物的清除。这表明BBB渗透没有限制其作用。共免疫沉淀实验表明,AUTOTAC PBA-1105不需要泛素相关结构域和识别,从而使其作用方式与AUTAC不同。

 

04

人类癌症

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

人类癌症是由局部组织细胞不受控制的增殖而形成的异常生长。药物治疗,如激酶抑制剂,可以特异性地阻断肿瘤生长。然而,激酶抑制剂的种类和耐药性限制了它们的广泛应用。尽管基因治疗在体外已经显示出希望,但脱靶效应和缺乏先进的给药系统限制了其临床应用。癌症免疫疗法利用免疫反应来对抗各种癌症。然而,研究最充分的单克隆抗体药物只与细胞外蛋白相互作用,并与产生不良反应有关。

两项用于乳腺癌和前列腺癌的PROTACs成功进入II期临床试验,显示了TPD技术的潜力。它引起了科学界和工业界的广泛关注与相对成熟的PROTAC技术相比,自噬-溶酶体途径下出现的降解物也提供了可供选择的癌症治疗方案。

4.1针对BRD4和NAMPT的ATTEC

BRD4是一种特征良好的肿瘤蛋白靶点,控制包括乳腺癌在内的各种实体肿瘤的恶性进展。为了测试BRD4是否可以通过自噬-溶酶体途径降解,Pei等人通过合适的链接器将lc3结合弹头GW5074的羟基连接到JQ1,设计了ATTEC分子(图4,左栏)

这些ATTEC分子在微摩尔浓度下分解BRD4,并且ATTEC分子降解蛋白质的能力与其连接子长度密切相关。过长的连接器表现出降解能力的下降。经过蛋白印迹和细胞活力分析,作者认为10f是最好的降解剂,在HeLa细胞中的降解率为92%。

Pei等人进一步表征了10f在不同细胞系中对BRD4的降解活性,MDA-MB-231在10 μM时降解效率达到99%。使用自噬抑制剂氯喹和自噬激活剂雷帕霉素来分析BRD4的10f降解是否与自噬有关。氯喹抑制BRD4降解,雷帕霉素促进BRD4降解。在力学实验中,抑制自噬小体形成的3-methyladenine (3-MA)可以消除10f诱导的凋亡,而不影响jq1诱导的凋亡。因此,BRD4的10f降解与自噬有关。

此外,LC3水平和自噬通量均无显著变化,表明ATTEC通过自噬−溶酶体途径降解BRD4,但不影响自噬的整体水平。

由于烟酰胺磷酸核糖转移酶(NAMPT)抑制剂的有效性和毒性有限,因此在抗肿瘤药物的开发中具有挑战性。Dong等人设计了一种使用NAMPT抑制剂(MS2)作为POI配体的ATTEC(图4,左栏)C3弹头的选择是ATTEC分子设计的关键,ispinesib被确定为LC3结合弹头。这种强有力的ATTEC分子将NAMPT和LC3蛋白结合在一起,导致复合物通过溶酶体与自噬小体融合降解。

实验结果表明,含8原子连接剂的化合物A3对NAMPT的降解效率最高,在3 μM浓度下降解效果最佳,降解率为91%。该化合物还能显著抑制卵巢癌细胞株,效果显著(A2780细胞的IC50 = 46 nM)。此外,通过自噬抑制剂,NAMPT的ATTEC降解与自噬-溶酶体途径相关,这在一个敲除模型中得到了证实。

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

图4. 降解剂利用自噬来对抗人类癌症。(左栏)ATTECS 10f和A3能够降解与各种癌症发生相关的BRD4和NAMPT蛋白。

 

05

结论与展望

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

TPD技术已经大大革新和扩大了现有药物的应用研究范围,自噬降解剂也为医学研究提供了前所未有的机会,特别是在NDs和人类癌症中(表1)。
与PROTACs相比,三种降解物(ATTEC/AUTAC/ AUTOAC)通过直接针对自噬降解机制,表现出广泛的靶谱,其特征是功能失调的细胞器(如线粒体(AUTAC))或蛋白团聚体(如Tau蛋白(AUTOTAC))的降解,或临床转化关键的低分子量靶点(ATTEC)。
少数新的有针对性的降解技术需要进一步研究。例如,参与伴侣介导的自噬途径,如CMA嵌合体和内体-溶酶体途径,如溶酶体靶向嵌合体(LYTAC)、基于抗体的PROTAC(ABTAC)和通过去唾液酸糖蛋白受体(Mode-AS)的细胞外蛋白分子降解物,是哺乳动物细胞清除细胞外和膜结合物质的其他重要降解机制。
总的来说, 这些强效降解剂为新型药物的开发和医药行业的发展提供了巨大的潜力和研究价值,期待更多的新型自噬降解剂的发现以造福更多患者。

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

参考文献

1.Advancing targeted protein degradation for cancer therapy. Nat. Rev.
Cancer 2021, 21, 638−654.
2. Lysosomes as dynamic regulators of cell and organismal homeostasis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2020, 21, 101−118.
3. Autophagy in Human Diseases. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2020, 383, 1564−1576.
4. Targeting selective autophagy by  AUTAC degraders. Autophagy 2020, 16,765−766.
5. Application of Novel Degraders Employing Autophagy for Expediting Medicinal Research. J Med Chem.2023 Feb 9;66(3):1700-1711.

 

封面图来源:123rf
阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀
阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

新冠疫情还会再来?到那时又该吃什么药?

 

 

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

罗氏制药部门负责人出任拜耳CEO,两家企业未来走向何方?

 

 

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

彭博社流出「小道消息」,惊天收购案浮现

 

 

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

专栏 | 柳达:40 年辉煌史,生物药的开发有无范式?

 

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀

阿尔茨海默病、癌症......看「新型自噬降解剂」的研究进展,这是继PROTAC之后又一新起之秀点击这里,报名创新药BD高阶研讨会【上海站】!

本篇文章来源于微信公众号:药时代

发布者:haitao.zhao,转载请首先联系contact@drugtimes.cn获得授权

(0)
打赏 为好文打赏 支持药时代 共创新未来! 为好文打赏 支持药时代 共创新未来!
上一篇 2023年2月13日 16:51
下一篇 2023年2月14日 16:51

相关推荐

公众号
公众号
分享本页
返回顶部
开门红!药时代成功促成中美两家药企达成合作!了解详情