二十年PROTACs研究（2001-2021）

Sanger研究所确定了627个肿瘤领域优先开发靶点，其中232个是酶（37%），是小分子抗癌药物的开发重点。然而，395个非酶靶点，通常没有功能关键的活性位点，无法通过占位驱动的策略进行药物开发，被称为“不可用药”靶点（文献1）。

PROTAC发明

1. PROTACs技术发明（2001年）

2001年加州大学洛杉矶分校，休斯医学研究所，耶鲁大学等单位的多名科学家，在PNAS发表了第一篇PROTACs文章。

文章标题：Protacs: Chimeric molecules that target proteins to the Skp1–Cullin–F box complex for ubiquitination and degradation

作者单位：

1. Department of Pediatrics and Pathology, Mattel Children’s Hospital at University of California Los Angeles, University of California Los Angeles School of Medicine, Gwynn Hazen Cherry Memorial Laboratories, and Jonsson Comprehensive Cancer Center, Los Angeles, CA 90095-1752; 

2. Division of Biology, and Howard Hughes Medical Institute, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125; 

3. Department of Molecular, Cellular, and Developmental Biology, Yale University, New Haven, CT 06520; 

4. Signal Division, Celgene Pharmaceuticals, La Jolla, CA 92121

用于PROTAC E3连接酶

2. MDM2（2008年）

2008年耶鲁大学报道了一种PROTAC，由一个非甾体雄激素受体配体(steroidal androgen receptor ligand，SARM)和被称为nutlin的MDM2配体组成，由一个基于PEG的连接子连接。SARM-nutlin PROTAC将雄激素受体招募到MDM2，MDM2作为E3泛素连接酶。

3. cIAP1 （2010年）

细胞凋亡抑制因子1(cIAP1)是凋亡抑制因子家族的重要一员，可以被MeBS激活，通过其分子内的ring结构域泛素化多种蛋白，以实现其调节增殖,迁移,自噬及免疫等多种生命活动的目的。多种文献报道cIAP1高度表达于多种肿瘤,并与相应肿瘤的发生,发展及预后有关。

日本东京大学2010年发表文章，利用cIAP1泛素连接酶活性，设计PROTAC，降解CRABPII。

4.  VHL（2014年）

2014年英国邓迪大学和剑桥大学报道了被广泛使用的E3连接酶VHL。

5. 招募VHL的PROTAC（2015年）

2015年耶鲁大学和GSK的科学家，开发招募VHL用作E3链接酶的PROTAC，用于降解HIF1α，或者双靶点 ERRα 和 RIPK2。

6. CRBN （2015年）

2015年Dana-Farber Cancer Institute和哈佛医学院，开发招募CRBN作为E3连接酶的PROTAC。

PROTACs结构研究

7. 靶蛋白-PROTAC-VHL三元复合物晶体结构（2017年）

2017年邓迪大学全球首次报道了靶蛋白-PROTAC-VHL三元复合物晶体结构。为E3连接酶选择性结合，优先招募，降解结构形成及稳定性的研究，提供了结构基础。

8. 靶蛋白-PROTAC-CRBN三元复合物晶体结构（2018年）

2018年Dana-Farber Cancer Institute和哈佛医学院，首次报道了靶蛋白-PROTAC-CRBN三元复合物晶体结构。结果提示可塑性蛋白间接触赋予了配体诱导的蛋白质二聚体的选择性，这为异双功能配体的发展提供了一个概念框架。

重要靶点、新的E3连接酶、新试验

9.   Arvinas公司的 ARV-110，ARV-471进入临床（2019年）

NCT03888612 Trial of ARV-110 in Patients With Metastatic Castration Resistant Prostate Cancer (mCRPC)

NCT04072952：A Phase 1/2 Trial of ARV-471 Alone and in Combination With Palbociclib (IBRANCE®) in Patients With ER+/HER2- Locally Advanced or Metastatic Breast Cancer (mBC)

10. 招募DCAF16的PROTAC，降解核蛋白 （2019年）

只有有限数量的E3连接酶被发现支持PROTACs。Scripps 研究所使用一种化学蛋白质组学策略，利用广泛反应、半胱氨酸导向的亲电片段结合细胞内蛋白的选择性配体(例如，FKBP12的SLF，BRD4的JQ1)，来筛选共价结合E3连接酶的PROTACs。他们设计了DCAF16共价配体，招募DCAF16，降解核蛋白。

11. 招募RNF114的PROTAC  activity-based protein profiling (ABPP) （2019年）

加州大学伯克利分校，诺华，Vertex等开发了 activity-based protein profiling (ABPP)化学蛋白质组学平台，发现一种新的功能半胱氨酸nimbolide反应，对E3泛素连接酶RNF114的底物识别至关重要。并构建招募RNF114的PROTAC。（文献14）

12. 降解STAT3的PROTACs（2019年）

密歇根大学构建针对STAT3的PROTAC，在小鼠体内诱导肿瘤消退。（文献15）

13. 降解BCL-XL的PROTAC（2019年）

弗罗里达大学开发了针对抗凋亡蛋白BCL-XL的PROTAC（DT2216），荷瘤小鼠模型，显示良好的抗肿瘤活性。（文献16）。

14. 降解EZH2的PROTAC（2020年）

EZH2的增强子是PRC2复合物的主要酶亚基，它催化组蛋白H3赖氨酸27(H3K27me3)的三甲基化，以促进转录沉默。EZH2在包括三阴性乳腺癌(TNBC)在内的癌症中均有过表达，且高表达水平与不良预后相关。几种EZH2抑制剂可以抑制EZH2的甲基转移酶活性，已经在临床治疗肉瘤和滤泡性淋巴瘤方面显示出了希望，但是对于三阴乳腺癌效果不明显。伊坎医学院构建了针对EZH2的PROTAC可以有效降解EZH2.

15. 多选择性BRAF-PROTAC（2021年）

在患者中已经发现了超过300个BRAF错义突变，但目前批准的药物仅针对V600突变体。此外，获得性耐药性不可避免地出现，主要是由于RAF损伤阻止了当前治疗对BRAFV600的抑制。耶鲁及Memorial Sloan Kettering Cancer Center的科学家，构建了多选择性BRAF-PROTAC降解BRAF，证实对多个突变体有效。

简评：PROTACs无疑是不可成药靶点药物开发的重要策略。除了PROTACs，还有AUTAC，LYTACs，ATTEC等靶向蛋白降解技术。PROTACs结合抗体靶向，衍生了AbTACs技术，可以突破针对胞内抗原的局限。

使用下图做个总结。

20年PROTACs靶点及E3连接酶

靶点-靶点配体-E3连接酶配体-E3连接酶

Journal of Experimental & Clinical Cancer Research (2020) 39:189如需下载，请点击左下角“阅读原文”

主要参考文献

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3. Sakamoto, K. M. et al. Protacs: chimeric molecules that target proteins to the Skp1–cullin–F box complex for ubiquitination and degradation. Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, 8554–8559 (2001)

4. . Schneekloth, A. R., Pucheault, M., Tae, H. S. & Crews, C. M. Targeted intracellular protein degradation induced by a small molecule: en route to chemical proteomics. Bioorg. Med. Chem. Lett. 18, 5904–5908 (2008).

5. Itoh, Y., Ishikawa, M., Naito, M. & Hashimoto, Y. Protein knockdown using methyl bestatin−ligand hybrid molecules: design and synthesis of inducers of ubiquitination-mediated degradation of cellular retinoic acid-binding proteins. J. Am. Chem. Soc. 132, 5820–5826 (2010).

6. Galdeano, C. et al. Structure-guided design and optimization of small molecules targeting the protein-protein interaction between the von Hippel-Lindau (VHL) E3 ubiquitin ligase and the hypoxia inducible factor (HIF) alpha subunit with in vitro nanomolar affinities. J. Med. Chem. 57, 8657–8663 (2014).

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9. Han, T. et al. Anticancer sulfonamides target splicing by inducing RBM39 degradation via recruitment to DCAF15. Science 356, eaal3755 (2017). This is one of the first articles reporting sulfonamides acting as molecular glue degraders of RBM39 via binding the E3 ligase DCAF15.

10. Uehara, T. et al. Selective degradation of splicing factor CAPERα by anticancer sulfonamides. Nat. Chem. Biol. 13, 675–680 (2017). This is one of the first articles reporting sulfonamides acting as molecular glue degraders of RBM39 via binding the E3 ligase DCAF15

11. Gadd, M. S. et al. Structural basis of PROTAC cooperative recognition for selective protein degradation. Nat. Chem. Biol. 13, 514–521 (2017).

12. Nowak, R. P. et al. Plasticity in binding confers selectivity in ligand-induced protein degradation. Nat. Chem. Biol. 14, 706–714 (2018).

13. Zhang, X., Crowley, V. M., Wucherpfennig, T. G., Dix, M. M. & Cravatt, B. F. Electrophilic PROTACs that degrade nuclear proteins by engaging DCAF16. Nat. Chem. Biol. 15, 737–746 (2019).

14. Spradlin, J. N. et al. Harnessing the anti-cancer natural product nimbolide for targeted protein degradation. Nat. Chem. Biol. 15, 747–755 (2019).

15. Bai, L. et al. A potent and selective small-molecule degrader of STAT3 achieves complete tumor regression in vivo. Cancer Cell 36, 498–511.e17 (2019). 

16. Khan, S. et al. A selective BCL-XL PROTAC degrader achieves safe and potent antitumor activity. Nat. Med. 25, 1938–1947 (2019).

17. Ma, A. et al. Discovery of a first-in-class EZH2 selective degrader. Nat. Chem. Biol. 16, 214–222 (2020)

18. Alabi, S. et al. Mutant-selective degradation by BRAF-targeting PROTACs. Nat. Commun. 12, 920 (2021).