近年来，蛋白质靶向降解技术，尤其是通过蛋白质降解靶向嵌合体（PROTACs，Proteolysis Targeting Chimeras）实现的靶向蛋白降解，展现出了巨大的治疗潜力。PROTAC是一种能够诱导目标蛋白降解的双功能分子，它们由三个基本模块组成：一个靶向特定蛋白质的配体、一个与E3连接酶结合的配体，以及一个连接这两者的“连接子”（linker）。通过这些组成部分，PROTAC可以诱导靶蛋白和E3连接酶形成三元复合物，从而引发目标蛋白的泛素化（ubiquitination），并最终导致蛋白质通过26S蛋白酶体降解。这篇综述文章聚焦于E3连接酶配体化学的发展，特别是小分子E3配体的设计与合成。通过对这些配体的详细介绍，文章为PROTAC领域的研究人员提供了设计与开发新型蛋白质降解剂的化学基础。
E3连接酶是泛素-蛋白酶体系统（UPS，Ubiquitin-Proteasome System）中的关键酶类，在靶向蛋白的选择性降解中起着决定性作用。UPS系统是细胞中主要的蛋白质降解机制，其核心作用是通过E1激活酶、E2连接酶和E3连接酶的协调作用，将泛素分子连接到目标蛋白上，标记其进行蛋白酶体降解。E3连接酶负责识别特定的底物蛋白，并将泛素转移到蛋白质的赖氨酸残基上。这种特异性使得E3连接酶在靶向蛋白降解领域中占据了重要地位。在人类基因组中，已经鉴定出600多种E3连接酶，它们通过特异性识别不同的底物来调控多种细胞过程。然而，尽管E3连接酶的种类繁多，但当前用于PROTAC技术的大部分研究集中在少数几种连接酶上，特别是cereblon（CRBN）、von Hippel–Lindau（VHL）和抑制性凋亡蛋白（IAP）等。这些E3连接酶具有较强的小分子结合能力，且其配体合成相对成熟，因而成为当前PROTAC设计的主要目标。图1.本综述涵盖的不同E3配体和主题
然而，未开发的E3连接酶仍然拥有巨大的潜力。随着越来越多的小分子E3配体被发现，研究者们正试图将PROTAC技术扩展到更多类型的E3连接酶，以覆盖更广泛的靶蛋白。文章中提到，探索新型E3连接酶配体将有助于扩展PROTAC技术的应用范围，并且通过更广泛的配体库，研究者们可以开发出更加精准和特异的蛋白质降解剂。
PROTAC技术的概念最早于2001年由Sakamoto等人提出，当时他们使用了一个与Skp1-cullin 1-F-box E3连接酶复合体相结合的磷酸肽配体，成功实现了靶标蛋白甲硫氨酸氨肽酶-2（MetAP-2）的降解。尽管这一概念证明了靶向蛋白降解的可行性，但早期的PROTACs大多是肽类分子，其穿膜性较差，代谢稳定性低，因而未能进入更广泛的应用领域。2008年，首个基于小分子的PROTAC问世，通过nutlin-3a衍生物成功劫持了MDM2 E3连接酶。这是PROTAC技术发展的一个里程碑，因为小分子E3配体相较于肽类分子具有更好的药物代谢性质，且合成更加简单。这一突破激发了人们对小分子E3连接酶配体的广泛兴趣。在随后的十多年中，随着越来越多的非肽类E3配体的发现，PROTAC技术逐渐成熟。尤其是针对VHL和CRBN的配体的开发，使这两种E3连接酶成为当前研究的焦点。基于PROTAC的蛋白降解技术不仅能够靶向“不可成药”的蛋白质，还能够通过选择不同的E3连接酶实现组织或细胞类型的特异性靶向。图2.新型CRBN结合支架的合成及其与示例性PROTAC 的结合
Cereblon（CRBN）最早因沙利度胺（thalidomide）而被人们关注。沙利度胺是一种曾经广泛用于镇静的药物，后因其致畸性被市场禁用。然而，到了20世纪90年代，研究者们发现沙利度胺及其类似物具有抗肿瘤和免疫调节的作用。其后来的研究表明，沙利度胺及其衍生物通过结合CRBN并招募其为E3连接酶发挥药理作用。这个发现揭示了IMiD类药物（Immunomodulatory imide Drugs）的潜在应用，包括来那度胺（lenalidomide）和泊马度胺（pomalidomide）。在PROTAC设计中，IMiD类配体被广泛用于劫持CRBN连接酶以实现靶标蛋白的降解。研究者们通过一系列有机合成方法对这些配体进行了结构修饰，以提高其稳定性和结合特异性。文章中详细介绍了几种关键的CRBN配体合成方法：- 核亲取代反应（SNAr）：这种反应可以通过在IMiD分子上引入不同的取代基，调控其与目标蛋白和CRBN的结合亲和力。常见的取代位点包括4位和5位的氟化衍生物。
- 烷基化反应：通过烷基化修饰，研究者能够提高CRBN配体的细胞膜穿透性，并优化其与目标蛋白的相互作用。
- Mitsunobu反应：这种反应允许在分子末端引入特定的基团，使其能够更好地结合目标蛋白。
这些化学修饰极大地拓展了CRBN配体在PROTAC设计中的应用，使得PROTACs不仅能够靶向多种肿瘤相关蛋白，还能够应用于自身免疫性疾病的治疗。特别值得一提的是，CRBN配体的进一步优化正在推动多种PROTAC药物进入临床开发阶段，如ARV-110和ARV-471，分别用于治疗前列腺癌和乳腺癌。
尽管CRBN和VHL是当前研究中最常见的E3连接酶，但其他E3连接酶的配体设计也同样具有重要意义。文章详细讨论了针对其他E3连接酶的配体合成策略，包括：- 金属催化反应：如Heck反应和Sonogashira偶联反应等，允许在E3配体上引入更复杂的结构修饰，从而提高其与目标蛋白的结合亲和力。
- 氨基酸衍生化：通过使用天然或非天然氨基酸作为起始材料，研究者可以合成出具有不同功能基团的E3连接酶配体，从而实现特异性调控。
此外，文章还讨论了羧胺衍生物和羧基化合物在PROTACs设计中的应用。这些化合物的引入有助于提高配体与靶标蛋白的结合稳定性，尤其是在涉及到长链连接子的情况下，这些化学修饰显得尤为重要。通过结合不同的合成路径，研究者能够灵活调整PROTAC的物理化学性质，从而实现更广泛的应用。
PROTAC技术的应用前景十分广阔，尤其是在治疗难以靶向的蛋白质方面。例如，许多肿瘤相关蛋白由于结构复杂等原因难以被触达，PROTAC技术很显然给了我们一个新的解法。参考文献：Chem Soc Rev. 2022 May 10;51(9):3487-3534. doi: 10.1039/d2cs00148a.
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