撰文：balabala
近期，南京大学张晶晶教授研究团队针对上述新型PROTAC策略的局限性，以miRNA触发的DNA编码的pre-PROTAC的形态调节为依据，成功开发出一种全新的miRNA启动的组装pre-PROTAC平台——miRiaTAC。
靶向蛋白水解嵌合体（PROTACs）作为一种极具前景的治疗策略，通过利用细胞天然蛋白质降解机制靶向消除疾病相关蛋白，展现出与传统占位驱动抑制剂不同的独特优势，如在低剂量下发挥催化作用以及降解顽固蛋白等（图1）。然而，在临床应用中，PROTACs面临着诸多挑战。首先，肿瘤选择性差是一个突出问题。由于无法精准区分肿瘤细胞和正常细胞，PROTACs在发挥作用时可能会对正常组织造成不良影响，降低了治疗的特异性。这种缺乏肿瘤选择性的特性可能导致治疗效果受限，同时增加了患者出现副作用的风险。其次，蛋白质不受控制的降解带来了非癌组织全身毒性风险。PROTACs引发的蛋白质降解若失去控制，可能会对正常组织和器官的蛋白质平衡产生破坏，干扰人体正常的生理功能。这种全身毒性风险不仅影响患者的生活质量，还可能对治疗的安全性和可持续性构成威胁。此外，过度激活也是PROTACs面临的挑战之一。过度激活可能引发一系列未知的生理反应或副作用，进一步加重患者的病情或导致新的健康问题。这种不确定性增加了治疗的复杂性和风险。因此，研发一种按需开关策略，以实现选择性激活和终止PROTACs介导的蛋白质降解，成为当前迫切需要解决的问题。这将有助于提高PROTACs的治疗特异性和安全性，为其在临床治疗中的广泛应用奠定基础。
2023年7月，国家纳米科学中心的王浩研究员开发了一种用于肿瘤治疗的Nano-PROTACs技术，该技术旨在解决传统PROTACs的问题。其设计的Nano-PROTAC 系统由含特定结构域的两个肽基前体组成，在肿瘤细胞高GSH水平下经点击反应自组装成有序纳米结构。![]()
图2. 原位自组装Nano-protacs的示意图体外研究表明，它能形成多元纳米复合物，有效降解EGFR和AR等蛋白，且具有剂量依赖性和抗钩效应。体内研究显示，Nano-PROTACs可在肿瘤部位富集和保留，在荷瘤小鼠模型中呈现剂量依赖性的肿瘤抑制效果，通过降解靶蛋白诱导凋亡发挥抗肿瘤作用，同时该系统具有良好生物相容性和细胞选择性。Nano-PROTAC技术虽然在蛋白降解领域显示出巨大潜力，但仍面临靶点单一、不能即时终止降解过程和制造成本昂贵等多方面的挑战。在探索靶蛋白可控降解以及按需终止相关问题的进程中，中国药科大学姜正羽教授研究团队于2023年3月开创性地提出了一种能够即时终止蛋白降解过程的连接-清除（Ligation to Scavenging）策略（图3）。![]()
图3. 受控的PROTACs和连接-清除系统示意图
该策略由经反式环辛烯（TCO）修饰的树枝状大分子（PAMAM-G5-TCO）以及四嗪标记的PROTACs（Tz-PROTACs）这两个关键部分构成。其中，PAMAM-G5-TCO能够借助逆电子需求的Diels-Alder反应（IEDDA），快速且有效地清除细胞内处于游离状态的PROTACs，进而达成对靶向蛋白降解过程的终止调控。通过这一调控机制，那些已经出现下调情况的靶蛋白能够逐步恢复到正常水平。在研究过程中，研究人员针对BET蛋白、PARP蛋白等多个底物蛋白展开了降解终止的相关实验，充分论证了该策略具备可靠性以及广泛的适用性，为PROTAC降解技术装上了可靠的“刹车”。然而，该策略在选择性和特异性方面可能会受到特定靶蛋白以及降解条件的限制，这一局限给这一颇具潜力的策略未来发展蒙上了一层阴影。
2023年7月，中国药科大学马祎教授研究团队受到DNA框架所具备的可寻址性、可编程性以及刚性特质的启发，成功开发出基于共价DNA框架的PROTACs（DbTACs）。这种DbTACs能够借助简单的生物正交化学以及自组装方式，实现高通量合成（图4）。![]()
图4. 选择性靶向蛋白降解的DbTACs平台设计示意图在其构建过程中，采用DNA四面体作为模板，此模板能够精准地定义每个原子的空间位置。基于这一特性，通过在模板上对POI和E3连接酶的配体进行精确的定位操作，就能够对配体间距进行有效控制，其范围可从8 Å到57 Å。研究人员经研究发现，具有配体之间最佳连接长度的dbtac，展现出了更高的降解率以及更强的结合亲和力。此外，具有三价配体组装的双特异性DbTACs（双-DbTACs）表现出独特优势，它能够在确保对蛋白质亚型进行高度选择性降解的同时，实现对多个靶点的消耗。而且，当运用不同类型的弹头，如小分子、抗体以及DNA基元时，DbTACs在针对多种靶标进行降解方面彰显出强大的功效，这些靶标涵盖了位于不同细胞区室的蛋白激酶和转录因子等。DbTACs这一策略突破了传统PROTAC分子仅能降解单一靶点的局限，然而，它也面临着一些挑战，例如无法即时终止降解过程且不具有细胞选择性等。2021年5月，华中科技大学同济药学院李华教授研究团队，鉴于单一靶点治疗存在诸多局限，创新性地提出了双靶向PROTAC分子（Dual-PROTAC）这一概念。受到双靶向药物的启发，研究人员设计并合成了一种能够同时对表皮生长因子受体（EGFR）和聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）进行降解的双靶点PROTAC分子。在合成过程中，研究团队巧妙地运用天然氨基酸作为连接体，并选取吉非替尼、奥拉帕利以及CRBN或VHL的E3配体作为底物来合成相关分子（图5）。![]()
图5. Dual-PROTAC策略示意图
细胞实验结果显示，所合成的双靶点PROTAC在SW1990和H1299细胞系中，能够同时实现对EGFR和PARP的降解，并且其降解效果呈现出浓度和时间的依赖性。此研究首次成功实现一个小分子同时降解两种不同靶蛋白，拓展了PROTAC技术应用并开辟药物发现新领域，然而该策略可能会由于分子量的增加，从而引发药物性质和药代动力学方面的一系列问题。DNA具备可编程性，这一特性使其能够构建多种多样的纳米结构，进而为动态DNA纳米技术的开发奠定了基础。近期，南京大学张晶晶教授研究团队针对上述新型PROTAC策略的局限性，以miRNA触发的DNA编码的pre-PROTAC的形态调节为依据，成功开发出一种全新的miRNA启动的组装pre-PROTAC平台，即miRiaTAC。miRiaTAC的模块化工具包含一对可修饰的DNA发夹H1和H2。在癌细胞中，靶miR -21呈现过表达的状态，H1和H2能够对其做出响应，并通过HCR形成交替共聚物。具体而言，弹头JQ-1（L1）标记的H1可以招募靶蛋白BRD4，而H2与配体pomalidomide（L2）结合以招募CRBN E3泛素连接酶。精确确定L1和L2的修饰位点，以确保在miR-21启动时L1/L2对的邻近性，使miRiaTAC诱导BRD4多泛素化，引起其蛋白酶体介导的降解，并形成（BRD4）m:miRiaTAC:(E3)n复合物（图6）。![]()
图6. 原位miRNA启动组装预protac（miRiaTAC）系统的示意图为了进一步降低过度降解所带来的副作用，研究人员设计了一种用于时空控制终止蛋白质降解的概念策略。他们通过在合适的位置插入可光性基团，实现了对长dsDNA纳米结构拆卸过程的光学调节，从而构建出一个具有理想可控性的系统。针对多重蛋白降解这一挑战，研究人员将另一种配体（L3）添加到H1上，以此来募集CDK6。借助可编程的配体比例，成功实现了正交多靶点降解（图7）。此外，体内实验也进一步证实了miRiaTAC在小鼠肿瘤模型中展现出强大的抗癌活性以及显著的肿瘤抑制效果。![]()
miRiaTAC策略通过插入光不稳定基团实现了对蛋白质降解的时空控制终止，避免了过度蛋白降解。同时，研究人员设计了一种新的DNA编码预PROTAC（H1-Pal），可实现单靶点和双靶点蛋白降解，拓宽了miRiaTAC在多靶点治疗中的应用。总之，miRiaTAC平台解决了传统PROTACs和miRNA疗法的关键挑战，为开发下一代靶向癌症治疗提供了有前景的途径。[1]Zhang, Ni-Yuan et al. “Nano Proteolysis Targeting Chimeras (PROTACs) with Anti-Hook Effect for Tumor Therapy.” Angewandte Chemie (International ed. in English) vol. 62,37 (2023): e202308049. doi:10.1002/anie.202308049[2]Jin, Yuhui et al. “Ligation to Scavenging Strategy Enables On-Demand Termination of Targeted Protein Degradation.” Journal of the American Chemical Society vol. 145,13 (2023): 7218-7229. doi:10.1021/jacs.2c12809[3]Zhou, Li et al. “DNA framework-engineered chimeras platform enables selectively targeted protein degradation.” Nature communications vol. 14,1 4510. 27 Jul. 2023, doi:10.1038/s41467-023-40244-7[4]Zheng, Mengzhu et al. “Rational Design and Synthesis of Novel Dual PROTACs for Simultaneous Degradation of EGFR and PARP.” Journal of medicinal chemistry vol. 64,11 (2021): 7839-7852. doi:10.1021/acs.jmedchem.1c00649[5]Hollingsworth, S., Johnson, S., Khakbaz, P. et al. The rise of targeting chimeras (TACs): next-generation medicines that preempt cellular events. Med Chem Res 32, 1294–1314 (2023). https://doi.org/10.1007/s00044-023-03104-z[6]Zhan, Jiayin et al. “MicroRNA-Triggered Programmable DNA-Encoded Pre-PROTACs for Cell-Selective and Controlled Protein Degradation.” Angewandte Chemie (International ed. in English), e202415323. 9 Oct. 2024, doi:10.1002/anie.202415323![]()
封面图来源：pixabay
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