综述：针对小分子PROTACs的多样化设计策略：我们该如何进行选择？

PROTAC技术通过降解不可成药蛋白推动药物研发，但传统方法受限于E3连接酶多样性、药效及靶向性不足。近年发展出CHAMP、mini-PROTAC、共价PROTAC、HyTTD及pro-PROTAC等创新策略，拓展了E3依赖/独立降解体系，优化连接器构效及前药设计以改善药代动力学。本文系统分析各类策略的优劣势，提出基于靶点特性（如结构可成药性、E3表达谱、组织分布）的筛选框架，整合AI加速筛选与合成，为临床转化提供决策依据。

陈青松|梁建华

北京工业大学化学与化学工程学院药物分子科学与制药工程重点实验室，北京102488，中国

摘要

尽管PROTAC技术通过使以前无法成药的蛋白质降解而彻底改变了药物发现，但传统PROTAC的临床转化受到了E3连接酶可用性限制、药物样性质不佳以及靶点范围狭窄的阻碍。近年来，出现了多种新型PROTAC设计策略，如伴侣蛋白介导的PROTAC（CHAMP）、迷你PROTAC、共价PROTAC、HyTTD和pro-PROTAC，这些策略将这项技术提升到了新的高度，加速了其临床应用的发展。然而，一个关键问题仍然存在：我们如何在这些选项中选择最合适的策略？我们总结并分析了它们的优势和局限性，涵盖了依赖于E3连接酶和独立于E3连接酶的降解策略、无法成药靶点的降解策略、连接子优化策略以及pro-PROTAC策略。此外，我们根据特定靶点的特征提供了选择适当策略的指导，旨在促进这些创新方法向临床应用的转化。

引言

蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）因其独特的机制而受到研究人员的广泛青睐，该机制能够催化靶点的降解，为靶向无法成药的蛋白质提供了一种革命性的策略，这一点通过PROTAC分子ARV-471（vepdegestrant）的临床进展得到了证明^[1]。PROTAC是一种双功能分子，包含一个靶蛋白结合头、一个E3泛素连接酶招募剂和一个连接子，它们共同促进三元复合物的形成，从而诱导靶蛋白的泛素化并随后通过蛋白酶体降解^{[2], [3]}。与小分子抑制剂相比，PROTAC具有独特的优势，包括能够靶向无法成药的靶点、催化降解以及克服药物耐药性的能力^{[4], [5]}。然而，PROTAC技术面临几个关键挑战，包括E3连接酶的选择有限以及E3连接酶介导的局限性，如细胞毒性、靶点适用范围狭窄以及由于分子量较大而无法实现临床转化^[6]。尽管传统PROTAC的这些局限性限制了其更广泛的应用，但其模块化组成为其合理设计提供了独特的优势。利用PROTAC介导的靶向蛋白降解的独特机制，对PROTAC进行快速迭代优化，使其适用于容易产生耐药性的治疗领域，如肿瘤学、病毒感染和细菌性疾病^{[7], [8], [9], [10]}。这些优势继续使PROTAC在全球范围内受到研究人员的关注。近年来，出现了许多下一代PROTAC策略，显著解决了早期设计的不足。通过不懈的努力，研究人员优化了靶蛋白结合头结构，以克服与E3连接酶可用性相关的限制，包括招募新的E3连接酶和非E3连接酶机制的参与。此外，靶蛋白结合头的优化扩大了可治疗的疾病靶点范围，而先进的连接子设计和pro-PROTAC策略改善了药物样性质和药代动力学特性。

E3连接酶的有限可用性严重限制了PROTAC的发展，超过80%的临床阶段PROTAC依赖于CRBN或VHL招募剂^{[1], [11]}。为了解决这一瓶颈，出现了替代的E3依赖策略，如伴侣蛋白介导的PROTAC、迷你PROTAC、桥接PROTAC和分子胶降解剂（MGD）整合的PROTAC，这些策略扩展了泛素-蛋白酶体工具箱，同时保持了核心的降解机制。同时，正在设计具有疾病特异性表达谱的新型E3连接酶，以减少脱靶毒性。除了以E3为中心的PROTAC之外，像疏水标记降解剂（HyTTD）、E2结合酶介导的降解剂、蛋白酶体参与的降解剂和溶酶体靶向降解剂等创新技术，能够在不涉及E3连接酶的情况下实现靶向蛋白降解，有效克服了毒性和耐药性等限制。共价PROTAC、桥接PROTAC、MGD介导的PROTAC、基于蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）抑制剂的PROTAC和溶酶体介导的降解剂等策略的出现，为靶向以前无法成药的蛋白质开辟了新的途径，展示了从肿瘤学到炎症和神经系统疾病等治疗领域的广泛靶点覆盖范围。PROTAC的药物样性质、三元复合物的形成效率以及降解活性仍然是其发展中的重要挑战^[12]。连接子的优化对这些性质有显著影响，基本修改包括长度、组成、刚性、立体异构性和连接位点的调整。此外，pro-PROTAC策略近年来成为了一个新的研究方向，提供了增强的靶向特异性和改善的细胞膜通透性^[13]。在病理条件下，不活跃的PROTAC被激活以释放其功能形式，显著增加靶组织中的药物暴露量，从而提高治疗效果，克服了传统PROTAC的靶向限制。此外，基于前药的结构性修饰增强了细胞膜通透性，解决了传统PROTAC大分子尺寸带来的挑战。前药方法和响应性PROTAC平台的整合为提高代谢稳定性、组织特异性和安全性提供了新的途径。总的来说，这些进展正在推动PROTAC领域的新热情，并为开发具有临床可行性的PROTAC疗法注入了新的活力。

这些基于小分子的PROTAC修饰策略正在逐步克服靶点范围、药物样性质和毒性谱的局限性。随着人工智能（AI）的出现以及快速合成与高通量筛选的整合，越来越多的降解剂正从实验室研究走向临床应用，为疾病治疗开辟了新的途径。然而，一个关键问题仍然存在：我们如何在这些选项中选择最合适的策略？在这篇综述中，我们系统总结了基于小分子的PROTAC的多样化设计策略和最新进展，重点关注四个关键设计方面：（1）优化靶蛋白结合头以增强靶点结合和降解效率；（2）合理设计靶蛋白以扩大可降解底物的范围；（3）策略性设计连接子以优化三元复合物的形成和药代动力学性质；（4）包括基于前药的PROTAC和响应刺激的降解剂在内的创新方法，以提高组织特异性和安全性。此外，我们还对每种策略的优势和局限性进行了关键分析，强调了在平衡降解效率和药物样性质方面的转化潜力及现有挑战。我们还总结了报道的PROTAC高效合成和筛选方法，以降低成本并加速临床前开发。我们希望这篇综述能帮助研究人员选择适合他们特定靶点和治疗环境的适当策略。

部分摘录

依赖E3连接酶的PROTAC策略

传统PROTAC通过招募E3泛素连接酶来使靶底物泛素化从而实现降解。然而，可用的E3连接酶种类有限，这限制了相应招募头的设计优化。来自免疫调节酰亚胺类药物（IMiDs）的CRBN招募剂和基于VHL的招募剂主导了PROTAC的设计。尽管如此，这些传统靶蛋白结合头与获得性耐药性和药物样性质不佳有关

PROTAC的替代策略

传统PROTAC作为精密分子工具，指导E3泛素连接酶在靶蛋白上标记“降解标签”，以便通过蛋白酶体消除。然而，这种方法受到E3连接酶多样性有限、组织特异性表达模式和功能可变性的限制

无法成药靶点的策略

传统PROTAC依赖于靶蛋白上明确定义的结合位点（包括别构口袋或药理学上不活跃的位点）来实现降解。然而，许多具有治疗意义的目标具有平坦或浅表区域，缺乏此类结合位点，使得使用传统PROTAC策略难以处理。为了克服这些限制，研究人员开发了几种创新方法：共价PROTAC，它将共价

连接子的策略

在PROTAC设计中，降解策略的选择主要由E3连接酶和靶蛋白的特性决定，传统PROTAC通常是初步的概念验证方法。连接子在进一步的构效关系（SAR）中起着关键作用，因为其长度、立体效应、刚性、灵活性和化学组成显著影响降解效率、药代动力学性质、脱靶毒性和

pro-PROTAC的策略

尽管传统PROTAC的设计相对简单，但由于分子量较大和细胞膜通透性有限，以及E3连接酶的靶向特异性低或组织选择性不佳导致的脱靶毒性或耐药性，它们通常具有较差的药物样性质。然而，随着E3连接酶工具的不断扩展和配体的迭代优化，传统PROTAC仍然是许多应用的主要策略。

如何选择合适的降解策略

生化技术的快速发展和AI驱动的平台的出现，催生了众多新型PROTAC策略，使得合理选择合适的方法变得至关重要。这种选择的核心逻辑在于“针对靶点定制”和E3连接酶背景原则，即根据靶点和E3连接酶的特性选择最合适的技术路径^[35]。目标的选择取决于研究领域，而

结论与展望

尽管传统PROTAC存在局限性，如依赖于有限的E3连接酶及其配体、靶点范围有限、传统连接子设计、药物样性质不佳和靶向特异性不足，但未来的发展正在通过几种关键策略积极应对这些挑战。首先，扩展E3连接酶和可靶向蛋白质的工具箱至关重要。虽然目前的努力集中在像BRD4和AR这样的经过验证的目标上，但该领域

CRediT作者贡献声明

梁建华：撰写——综述与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。陈青松：撰写——原始草稿、正式分析、概念构思

利益冲突声明

作者声明他们与本工作没有利益冲突。

资助

本工作得到了STI2030-Major项目（2022ZD0211700）的财政支持。

利益冲突声明

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