生命科学
Life science
近日，上海科技大学的刘艳芬教授团队和仓勇教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biochemical Sciences发表了题为“Routes to molecular glue degrader discovery”的综述文章。该文全面系统地总结了近期关于分子胶的研究，着重介绍了它们多样的作用机制，并探讨了发现新型分子胶和新底物的策略。
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现代生物医学的探索之路上，攻克疾病一直是科学家们不懈追求的目标。作为生命活动的核心执行者，蛋白质的异常往往与多种疾病的发生和发展密切相关。近年来，分子胶降解剂作为一种新兴的靶向蛋白降解技术，在生物医学领域展现出巨大的潜力，为治疗那些曾经难以攻克的疾病带来了前所未有的希望。本综述概述了近期报道的分子胶降解剂，探讨了基于分子胶的作用机制来寻找新型分子胶和底物的策略，并分析了当前分子胶发展和应用中面临的挑战，同时提出了未来可能的改进方向。
分子胶和PROTAC的区别
分子胶和 PROTAC 作为靶向蛋白降解的两类重要化合物，都利用泛素-蛋白酶体途径来消除与疾病相关的蛋白质[1, 2]。PROTAC 由一个靶标结合弹头和一个 E3 泛素连接酶结合配体组成，二者通过一个柔性连接子相连。而分子胶能在E3泛素连接酶和底物之间建立新的相互作用，且不需要单独与这两种蛋白中的任何一种有强制性结合（图1A）。相比之下，分子胶具备分子量小、成药性好等多种优势[3]。
▲图1A. 靶向蛋白降解技术的两种策略：PROTAC和分子胶。
基于CRBN的沙利度胺及其衍生物分子胶
沙利度胺曾因其严重的致畸作用而声名狼藉，并被迅速撤出市场。然而科学家们并未因此放弃该药物。后续研究令人惊喜地发现，沙利度胺能够与CUL4-DDB1 E3泛素连接酶（CRL4CRBN）的底物受体CRBN结合[4]，并诱导某些转录因子，如IKZF1和IKZF3的泛素化和降解，这些转录因子在正常情况下不会被识别为降解底物。基于这一独特机制，来那度胺和泊马度胺等衍生物应运而生，它们在治疗多发性骨髓瘤等疾病方面展现出了显著疗效，成为临床上抗击癌症的强大工具（图1B）。
▲图1B. 基于CRL4CRBN的分子胶降解剂通过在底物受体CRBN上产生独特的新结构界面，以此结合不同的底物。
基于其他E3泛素连接酶的分子胶
随着研究的深入，科学家们利用创新的蛋白质阵列筛选技术，成功发现了一类能与E3泛素连接酶CRL2VHL的底物受体VHL结合的分子胶。这类分子胶能够使VHL招募新的底物，即半胱氨酸双加氧酶（CDO1）[5]。这一发现为拓展可降解的蛋白质底物的种类提供了新的方向。此外，CRL4DCAF15的底物受体DCAF15与分子胶indisulam 的相互作用则揭示了磺胺类分子在特异性靶向RNA结合蛋白RBM39，并抑制特定癌细胞生长方面的巨大潜力[6]。
这些神奇的分子胶是如何被发现的？科学家们探索了一系列创新的策略加以应用。一种通用的方法是从筛选 E3 泛素连接酶的配体开始，首先根据E3连接酶的表达谱或亚细胞定位，选择感兴趣的靶点。之后通过高通量文库筛选或利用现有抑制剂的结构引导的构效关系（SAR）研究，精准识别出与E3连接酶底物接收结构域结合的小分子配体化合物[7]。这些小分子配体化合物犹如钥匙，为设计和合成化学多样性文库奠定基础。文库中的小分子配体化合物与E3连接酶结合并修饰其表面，产生新的界面，从而招募和降解特定的新底物（图2A）。
▲图2A.通过筛选E3泛素连接酶的小分子配体化合物以寻找新型分子胶降解剂。
基于底物的分子胶
根据最近的研究，开发能够与特定靶标结合的小分子化合物成为了一种创新途径，它们不仅可以抑制靶标的功能，还能够充当分子胶。这些基于底物的分子胶通过与底物蛋白结合，诱导产生能被特定E3泛素连接酶识别的新结构界面，从而标记目标蛋白及其相关蛋白进行降解。以细胞周期蛋白依赖性激酶 12（CDK12）抑制剂为例，它们能够在与 CDK12 结合时，意外地创造出一个全新的结构界面，吸引E3泛素连接酶CRL4的DDB1亚基，将 CDK12 转化为 CRL4的新型底物受体，进而靶向降解与CDK12相互作用的细胞周期蛋白K（Cyclin K）[8]。因此，通过对小分子抗癌药物进行系统性筛选，寻找能够与底物协同作用、形成新的结构界面，并诱导与E3泛素连接酶结合的化合物，也成为开发基于底物的分子胶的有效途径（图2B）。
▲图2B.通过筛选感兴趣的底物蛋白的结合物来寻找新型分子胶水。
分子间和分子内降解剂
分子胶家族中还有一些独特的成员，如分子间降解剂BI-3802，展现了其独特的降解机制。BI-3802能够诱导致癌转录因子BCL6发生高度特异性且可逆的聚合，使其聚集在一起，然后被E3泛素连接酶SIAH1识别并降解[9]。这种机制通过操控蛋白质的聚合状态，从而实现对致病蛋白的精准抑制。此外，BRD2和BRD4的分子内二价分子胶（IBGs）则通过桥接相邻的BRD蛋白结构域，进而通过CRL4DCAF16促进其降解[10]。这一策略类似于在蛋白质内部搭建了一座“桥梁”，引导其走向降解，为高效靶向降解蛋白质开辟了全新的路径。
然而，如同任何新兴技术一样，分子胶在临床应用的进程中面临着诸多挑战。其中，特异性和选择性是亟待解决的关键问题之一。由于细胞内蛋白质网络的高度复杂性，分子胶可能会与一些非预期的蛋白质相互作用，产生脱靶效应。为了提高分子胶的特异性，研究人员正在积极研发更为精准的筛选技术。如DNA编码文库（DEL）筛选和结构引导的构效关系（SAR）研究，通过对化合物结构的精细优化，增强其与目标蛋白的结合亲和力，同时减少与非靶标蛋白的结合。
另外，耐药性也是分子胶面临的一大挑战。随着治疗时间的推移，癌细胞可能会发展出各种耐药机制，使分子胶的疗效逐渐减弱。为了应对这一挑战，研究人员正在探索通过同时靶向疾病通路中的多个关键节点，或者设计不同的分子胶以绕过癌细胞的耐药屏障，让癌细胞难以逃脱治疗。
总结与展望
尽管分子胶目前还存在一定的局限性，但它无疑已经为靶向蛋白降解治疗开辟了一条全新的道路。现有的分子胶尚无法靶向所有的底物。因此，探索新的E3泛素连接酶工具库将有助于进一步扩大分子胶的适用范围。
供稿：李栋