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《思新异》——不一样的分子胶

时间:2022-09-29 13:28:32 阅读:208

一直想写一些关于分子胶的事,一直未动笔,感觉有好多问题不太明白,需要调研查一查。昨日看到杨博士团队发布的GT919临床试验申请获得受理的消息,很让人兴奋!祝贺该项目的研发团队!
想放下手里的活,写一些感受和想法,关于分子胶的,感兴趣的朋友可以仔细看看下文中引用的图片和原文,帮助理解分子胶的过往。
PROTAC做了很久,做了很多靶点,但进入临床阶段的靶点寥寥无几;分子胶某种程度上能补足PROTAC的缺陷,却又在理论上缺少数据支持;分子胶的构效关系还不是很好发现,这里仍缺少基础研究的数据支撑。
很多流程图、示意图、原理图、路线图、内容类似的公众号,看了一遍又一遍;很多实验原理讲了一次又一次,感觉都没有太大的推动作用。最终,我还是更希望看到很多分子能够被创造出来。药物研发领域中的科技工作者内心是非常地渴望看到更多、更好、更强、更美的数据出现,希望看到国内药物研发的项目有更多的突破。

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Timeline of major targeted protein degraders research and development milestones1

行业已经进入到了赛跑的阶段,相互内卷,时间对制药企业和投资人来说都比较关键。这样的时刻,能看到一些突破性的研究进展,会给从事这个行业的人们一些鼓舞。有时在想,能有这样兴奋的感觉,或许是我已经渐渐入了门。这扇门,可以让自己更好的走向自己,也可以走进行业、走进国家战略布局。家国天下,何时能找到自己的位置和追求,确实困扰了很多人,也包括自己。

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PROTAC and Molecular glue2,3

言归正传,提到分子胶,看名称,即为分子的胶水。这个含义很有意思,两个大分子(蛋白),因一个小分子而相连。在细胞内部,很多生理过程是需要靠300,000多个蛋白与蛋白的相互作用完成的,这里有很多快速的修饰和调节,也有快速的合成和降解。试想,细胞需要快速的响应外部的刺激,需要有什么机制?看似混乱无序的细胞内部,充斥着各种核苷酸、蛋白、脂类,但是她却完美的掌控自我复制到时机,将如此复杂的系统一分为二。
这个时候,外面丢进来一个分子,一端与E3结合,改变其表面的构象,而这个构象,正好与细胞中的其他蛋白结合,可能是好的意外,通过诱导蛋白的互作,稳定了某种结构,帮助了信号的转导;也可能是意外的坏,让原本不该相遇的蛋白有见面的机会,而这个蛋白,有可能就被贴上泛素链,走向蛋白酶体降解的道路。
这个微妙的时机和规律,被科学家抓到了,随机成立了很多专注此类药物研发的团队,做的多了,这类分子于是也有了自己的名字,Molecular Glue,简称MG,也称作分子胶。与火热的PROTAC相比,分子胶有着类似的诱导蛋白降解的功能,根据分子自身的不同,也有很多明显的区别与特性。但是相比而言,还是有很多共性,也被称作分子胶降解剂,molecularglue degrader,或者MG degrader。

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PROTAC和分子胶的区别4

一个概念,如果还在概念验证阶段,能使用的人还不是很多,这有被证伪的风险。但是只要有一点积极的、正向的数据,就会引起更多人的兴趣。这个状态,特别适合过去几年至今国内药物立项思维。好比早期的PROTAC的案例,如果没有Arvinas的突破性进展,会有多少人看到PROTAC的潜力?如果没有国际制药企业广泛的使用DNA编码库(DEL),国内何时会有这样的技术?如果没有先进的质谱设备,蛋白质组学又怎么能如此广泛的应用?等等,这样的案例非常的多,一定的时期、一定的积累,就会有新的变革。

蛋白降解剂,一种成药性等待被证实的一类分子,就这样进入了爆发期。不同的降解剂,也都逐渐被大家挖出来,多方尝试,都希望自己能够先跑出来。科研界希望发一些文章,企业界希望能用于难成药靶点、已产生耐药性的靶点;组合化学、DEL、AI等待手段,各显神通,都希望在这个领域能有一些独特的应用。可谓是八仙过海,各显神通。比如PROTABs5KineTACs6PhosTACs7等等,还有不依赖泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin–proteasomesystem,UPS)的降解方式,如依赖溶酶体的LYTACs、自噬小体相关的ATTECs、自噬介导降解的AUTACs andAUTOTACs,还有细菌蛋白酶体介导的降解BacPROTACs等等。


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Types of degraders8

这是一个很好的现象,我们之所以能如此做,也是因为我们的基础研究能力、组学的手段、大数据和人工智能等领域已经提升了很多水平,追赶国际。如果没有合适的武器,先不说很多想法不一定会有,即使有了好的想法也不好落地。这也是目前我们亟需提升基础研究的能力,在理论和应用上还有太多工作要做。


简单来说,目前分子胶和PROTAC的主要不同之处有:

  • 分子具有较好成药性的结构,常常能符合Lipinski's "rule of 5";
  • 分子和降解之间的机理关系不是很明确;
  • 可诱导多个蛋白的降解;
  • 没有见到饱和结合的情况,没有hook-effect;
  • 已有获批上市药物,用于治疗;


综合来看,此类分子在分子量(molecularweight,MW), 预测拓扑极性表面积(estimated topological polar surfacearea,TPSA),旋转键个数(number of rotatable bonds), 醇水分布系数(octanol–waterpartition coefficient,logP), 氢键受体(hydrogen bondacceptors,HBA)和氢键供体(hydrogen bond donors,HBD)等参数上和PROTAC分子有很多不同。
但是,更多的分子胶底物,确实不好预测。这里需要分子的数据,和底物的数据。IMiD的发现与验证,让人们看到了“E3-分子胶-底物”之间调控的可能性,新的问题就来了:该如何设计分子胶?如何筛选分子胶?又如何寻找新的靶点?如何寻找新的E3?如何优化分子的特异性?文章中经常看到一个词,Serendipitousdiscovery,在一个靶向药物设计的世界里,经常出现很多“偶然地”、“意外地”、“凑巧地”等字样,这就给人们带来了很多未知。

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分子胶的底物9

现在我们可以说分子胶主要机制是拉进E3和靶点蛋白,诱导蛋白泛素化之后降解。同样,这是一个过程,促使蛋白与蛋白之间发生作用,这个相互作用到底能引发哪些反应?这些反应中,哪些又可能是治疗疾病的方法?这里有很广阔的发挥空间。如果只看降解的效果,其实我们有很多通量的方法来评价蛋白的降解,也可以称之为“靶向蛋白降解的表型筛选”,比如HiBiT、HaloTag,EGFP等融合蛋白的技术。


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比如我们在GSPT1的C端敲入了HiBiT,在细胞中可以快速的评价GSPT1蛋白的降解。如果此时有小分子库、组合化学的文库、DEL筛选出来的分子库,可以快速地完成成千上万个分子的筛选,寻找可能诱导GSPT1降解的小分子。通过Western blot和蛋白质组学的手段,还可以确认降解机制,评价候选分子的特异性。当然,也可以用分子钓出可能有相关作用的E3或者其他和蛋白降解通路相关的蛋白。


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类似的工作,科研界和企业界可以多一些合作,一同探索未知,会发现新的机制。利用各自的优势资源,深化“产学研”合作,为国家的科技创新做一些铺垫性的工作,也算得上一件非常有意义的事情。公司有非常完善、高端、智能的研发平台,如何充分发挥中国科学家的才能,高效利用各位PI的时间,是我们一直思考的问题。

爱思益普搭建了通量筛选蛋白降解剂的平台,在早期的公众号文章中围绕此领域做了部分实验方法的介绍(《益中国》连接中国学术与产业——ICE蛋白降解平台服务开启!),目前结合CRISPR/Cas9系统在细胞中内源敲入HiBiT的平台,目前已经拓展了近十种常见靶点的通量降解实验,如EZH2, IKZF1, SMARCA2, STAT3, cMYC,BRD4, GSPT1和AR-V7等的HiBiT-KI细胞系已经构建完毕,还有二十余个靶点在持续构建中,很快将出炉。我们希望为蛋白降解领域准备通量的筛选办法,能给为大家评价分子库,发现更多潜在的蛋白降解诱导分子,更好的支持医药企业和基础研究的科学家们。


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HiBiT筛选平台(爱思益普内部数据)

目前已经有很多分子胶的分子被发现,可与CRBN结合的部分常常是戊二酰亚胺(Glutarimide)和琥珀酰亚胺Succinimide,如免疫调节剂(IMiDs)沙利度胺(thalidomide),来那度胺(lenalidomide)和泊马度胺(pomalidomide)和鸟苷(Uridine)等。其中Thalidomide及其类似物后来被发现可结合E3CRL4CRBN,进而诱导底物蛋白Ikaros (IKZF1)和Aiolos (IKZF3)的降解;后来发现Lenalidomide可以诱导CK1α的降解,而thalidomide和 pomalidomide却不能10,这也提示我们不同的分子胶可以有一定的底物选择性。

CR8分子早在2008年被发现,可同时抑制CDK1/2/5/7/9,直到2020年才发现CR8分子可介导CDK12/Cyclin K复合物与DDB1(CUL4连接酶的接头蛋白)相互作用,诱导cyclin K泛素化后降解。11还有更多分子胶如下图所示。看到这么多早期的分子,就能体会到片头提到的GT919和MRT-2359让人兴奋的感觉,这些分子的选择性、体外和体内的效果真的不错。同时,我们还应该加快步伐,探索前沿领域中的前沿机制,为进一步突破做准备。


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From serendipity to intentional discovery of synthetic molecular glue (MG) degraders8


寻找新的E3,新类型的分子,是PROTAC和分子胶都要走的创新型路线。拿到Hit容易,拿到高结合力、特异性高的分子,还是需要很多设计和筛选,敢于走这样路线的公司,要么有自己大量的小分子库、要么有自己的AI算法、要么有高通量筛选的方法,没有一定积累的团队很难突破这一关。更何况发现新的E3,还有一定的偶然性。

但是如果希望发现更新的内容,这条充满挑战的路,我们还是要继续走的。没有这样的勇气,何时才能追上美国的生物技术公司?什么时候才能开发出自己特有的技术?什么时候才能创造自己的理论?做药物的公司,深刻的了解到合作的重要性。我也很期待国内各行各业深入的合作与交流,让自己的技术有充分发挥的平台,让自己的想法有更多落地的机会。


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New E3 identification methods12,13


爱思益普在过去的时间里一直在储备一些基本技能,锻炼专注蛋白降解的团队,搭建能支持国内创新项目顺利推进的生物学研发能力,甚至对于刚刚报道的PROTABs,我们的膜蛋白表达细胞系(离子通道、GPCR等近三百株稳转细胞系)貌似有了更广阔的使用空间。对于蛋白降解剂,我们准备了全流程的生物学服务,从蛋白的表达和纯化、酶学方法的开发、分子互作,到细胞学评价、体内外药物代谢动力学分析、体内药效、晶体结构解析、蛋白质组学等等方面,我们准备了平台,目前能做的事情很多,几乎可以满足药化团队的所有需求。

但是,总是感觉缺些什么。

是的,缺少更多的化学分子,缺少更多创新性的探索项目,缺少基础理论的支撑,缺少分子胶研发可以参考的规律,缺少更多成功的案例,缺少临床获批的候选化合物。

如果说针对分子胶,我们还需要什么?

简单来说,需要的很多,还需要多试。只有少数几个案例的成功,就说明我们的路还很长。但是我们要有信心,加强合作,勇于探索!爱思益普的团队会一直努力,与各界同仁一同为中国的科技创新,做一些事情。


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爱思益普蛋白降解筛选评价平台


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