靶向蛋白降解

20世纪90年代以来，研究人员开发了多种选择性降解蛋白的新策略。靶向蛋白降解策略可用于清除致病蛋白，是一种新颖的疾病治疗方式。与传统的小分子抑制剂相比，靶向蛋白降解策略通过清除蛋白这一新的机制产生药效，具有提升选择性，克服耐药性，靶向难成药靶点等优势。基于UPS途径的靶向蛋白降解策略主要包括蛋白水解靶向嵌合体、分子胶水、疏水性标签等。基于ALP途径的蛋白降解技术也在快速发展之中，主要包括自噬体绑定化合物、自噬靶向嵌合体AUTAC和AUTOTAC。这些新技术拓展了靶向蛋白降解的应用范围，具有重要的研究意义和新药研发价值。

20世纪90年代以来，靶向蛋白降解逐渐成为一种新颖的疾病治疗手段。临床上大多数治疗药物属于疾病相关靶点的小分子抑制剂，通过“占据驱动”的机制来发挥药效，需要与靶蛋白具有高亲和力。以蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）为代表的靶向蛋白降解技术则通过“事件驱动”的方式发挥作用，配体即使非常有限地占据靶蛋白也能够诱导其降解。与传统的小分子抑制剂药物相比，靶向蛋白降解通过选择性降解清除致病蛋白这一全新的机制产生药效，具有催化剂量发挥药效、提升药理活性和作用选择性、克服耐药性、有效干预难成药靶点等诸多优势。
近年来，靶向蛋白降解技术取得了迅速发展，逐渐成为小分子药物研发的前沿和热点领域。笔者团队有幸在这一新兴领域开展了系列研究，取得了一定的进展，并产生了对靶向蛋白降解已有研究成果进行系统总结和分析的想法。经过两年多的努力终于成稿，本书以靶向蛋白降解分子的设计策略为核心，结合大量研究案例，系统介绍其原理、方法、技术和应用。
鉴于靶向蛋白降解技术对新药研发领域的革命性贡献，本书将从药物化学视角对分子胶降解剂、PROTAC、自噬降解剂、疏水标签降解剂等进行深入探讨，重点介绍设计方法和代表性案例，并分析讨论未来的发展方向。本书的部分研究成果得到了国家自然科学基金重点项目（82030105）、国家重点研发计划项目（2021YFA1302200，2022YFC3401500）、山东省自然科学基金创新发展联合基金（ZR2022LSW013）等项目的资助。
撰写本书的初衷是希望为从事新药研发和药物化学等相关领域科研人员和研究生提供一本实用的学术专著和参考书。鉴于作者水平有限，不当与疏漏之处在所难免，敬请同行批评指正。

盛春泉
2023年10月

盛春泉，海军军医大学教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、享受国务院政府特殊津贴。兼任上海市药学会副理事长、中国细胞生物学会细胞工程和转基因生物分会副会长等学术职务。主要从事靶向蛋白降解药物、抗真菌药物和特种药物研究。主编出版中英文学术专著7部。作为主要完成人获得中国科协“求是”杰出青年科学奖、国家科技进步二等奖、中国药学会科学技术奖一等奖、上海市科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖、上海市药学科技奖一等奖、药明康德生命化学研究奖、上海市青年科技英才等学术奖励。

本书以靶向蛋白降解分子的设计策略为核心，结合大量研究案例，系统介绍其原理、方法、技术和应用。本书从药物化学视角，对分子胶降解剂、蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）、自噬降解剂、疏水标签降解剂等进行了深入探讨，重点介绍其设计方法和代表性案例。
本书适合作为新药研发领域科研人员和相关专业研究生的重要参考书。

第1章概论001
参考文献006

第2章分子胶降解剂009
2.1概述010
2.2分子胶降解剂与PROTAC的异同013
2.3意外发现的分子胶降解剂016
2.3.1沙利度胺及其类似物016
2.3.2芳基磺酰胺类化合物021
2.3.3BCL6降解剂022
2.4分子胶降解剂合理发现新策略024
2.4.1高通量筛选发现靶向自噬的分子胶降解剂024
2.4.2亲电天然产物中发现分子胶水025
2.4.3化学基因组筛查策略026
2.4.4高通量筛选和基于结构的药物设计发现β-连环蛋白
分子胶降解剂030
2.5总结与展望032
参考文献041

第3章蛋白水解靶向嵌合体047
3.1概述048
3.2PROTAC技术的发展048
3.3PROTAC设计和优化的基本方法051
3.3.1选择合适的靶蛋白配体小分子052
3.3.2靶蛋白配体和连接子的连接位点选择052
3.3.3E3连接酶配体的选择056
3.3.4连接子的设计和优化063
3.3.5PROTAC设计效率的提升069
3.3.6优化吸收、分布、代谢和排泄性质074
3.4传统PROTAC的设计075
3.4.1基于VHL的PROTAC设计076
3.4.2基于CRBN的PROTAC设计108
3.4.3基于IAP的PROTAC设计150
3.4.4基于MDM2的PROTAC设计152
3.5总结154
参考文献154

第4章阻断非酶活功能的PROTAC171
4.1概述172
4.2干扰表观遗传靶标非酶活功能的PROTAC173
4.2.1干扰EZH2非酶活功能173
4.2.2干扰HDAC6非酶活功能177
4.3干扰肿瘤代谢靶标非酶活功能的PROTAC179
4.4干扰激酶非酶活功能的PROTAC181
4.4.1干扰AURORA-A非酶活功能181
4.4.2干扰FAK非酶活功能183
4.5干扰其他靶点非经典功能的PROTAC185
4.5.1干扰FKBP12非经典功能185
4.5.2干扰USP7非经典功能185
4.6总结187
参考文献188

第5章基于天然产物的PROTAC195
5.1概述196
5.2E3连接酶天然配体196
5.2.1RNF114配体：印苦楝内酯196
5.2.2Keap1配体198
5.2.3cIAP1配体：苯丁抑制素202
5.2.4AhR配体：β-萘黄酮206
5.3靶蛋白的天然配体206
5.3.1聚酮类化合物206
5.3.2黄酮类化合物209
5.3.3甾体激素类化合物211
5.3.4萜类化合物215
5.3.5生物碱220
5.3.6肽类221
5.3.7天然分子胶降解剂222
5.3.8其他降解剂223
5.4总结与展望228
参考文献229

第6章多价和共价PROTAC243
6.1概述244
6.2同型二价PROTAC244
6.2.1同型二聚PROTAC245
6.2.2杂合的同型二价PROTAC248
6.3同型三价及多靶点PROTAC253
6.4共价PROTAC259
6.4.1与靶蛋白共价结合的PROTAC260
6.4.2与E3连接酶共价结合的PROTAC271
6.4.3HaloPROTAC277
6.4.4去泛素化靶向嵌合体281
6.5总结与展望283
参考文献285

第7章光控型PROTAC293
7.1PC-PROTAC的设计297
7.2PS-PROTAC的设计302
7.3展望308
参考文献309

第8章智能响应型PROTAC311
8.1概述312
8.2设计原理313
8.3还原激活型PROTAC313
8.4缺氧激活型PROTAC316
8.5酶激活型PROTAC317
8.6总结320
参考文献322

第9章基于溶酶体途径的靶向蛋白降解325
9.1概述326
9.2基于内体-溶酶体途径的靶向蛋白降解技术327
9.2.1溶酶体靶向嵌合体（LYTAC）327
9.2.2双特异性核酸适配体嵌合体334
9.2.3基于抗体的PROTAC336
9.2.4基于共价纳米抗体Gluebody的嵌合体337
9.3基于自噬-溶酶体途径的靶向蛋白降解技术338
9.3.1自噬体绑定化合物（ATTEC）339
9.3.2自噬靶向嵌合体（AUTAC）343
9.3.3自噬靶向嵌合体（AUTOTAC）348
9.3.4基于CMA的降解剂350
9.4总结352
参考文献353

第10章基于核酸的靶向降解357
10.1概述358
10.2基于核酸的靶向蛋白降解361
10.2.1靶向降解RNA结合蛋白361
10.2.2靶向降解转录因子363
10.2.3靶向降解G4结合蛋白367
10.2.4双特异性核酸适配体嵌合体368
10.2.5基于核酸适配体构建的PROTAC369
10.3靶向降解核酸370
10.4总结374
参考文献374

第11章基于疏水标签的靶向蛋白降解379
11.1概述380
11.2蛋白质折叠机制380
11.3蛋白质稳态381
11.4蛋白质质量控制系统383
11.5基于疏水标签的靶向蛋白降解策略及其应用384
11.5.1小分子疏水标签的设计与发现——靶向HaloTag融合蛋白降解小分子疏水标签384
11.5.2首个疾病相关靶蛋白降解疏水标签的设计与发现——选择性雄激素受体降解小分子疏水标签386
11.5.3首个不依赖泛素的蛋白降解疏水标签的偶然发现——Boc3Arg降解子概念的提出388
11.5.4基于N-末端规则靶向蛋白降解疏水标签的设计与发现——选择性降解雌激素受体的小分子疏水标签390
11.5.5选择性降解假激酶Her3的疏水标签392
11.5.6降解蛋白质-蛋白质相互作用的小分子疏水标签394
11.5.7选择性降解蛋白激酶Akt3的疏水标签399
11.6总结400
参考文献401

第12章靶向蛋白降解实验技术407
12.1概述408
12.2降解分子与靶蛋白的结合测试408
12.2.1表面等离子共振技术409
12.2.2荧光偏振410
12.2.3细胞热迁移实验410
12.2.4下拉试验411
12.2.5限制性酶解实验412
12.3靶向蛋白降解分子三元复合物形成412
12.3.1X射线晶体衍射413
12.3.2ALPHA技术414
12.3.3荧光共振能量转移技术415
12.3.4生物发光共振能量转移技术416
12.3.5等温滴定量热法417
12.3.6表面等离子共振技术419
12.3.7微量热泳动技术420
12.3.8三元下拉试验技术420
12.3.9PROTAC三元复合物的结构预测421
12.4靶向蛋白降解效率评价421
12.4.1蛋白质免疫印迹法422
12.4.2基于GFP/mCherry双荧光报告系统的比率测量422
12.4.3活细胞中PROTAC和分子胶靶向降解蛋白的实时监测423
12.5靶向蛋白降解与新靶标的发现424
12.5.1泛素化蛋白富集分析424
12.5.2蛋白质组学分析425
12.5.3基于活性的蛋白质组分析426
12.5.4光亲和标记技术427
12.6总结428
参考文献428