不一样的分子胶

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。

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。

PROTAC and Molecular glue^2,3

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，molecular glue degrader，或者MG degrader。

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PROTABs⁵、KineTACs⁶，PhosTACs⁷等等，还有不依赖泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin–proteasome system，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 and AUTOTACs，还有细菌蛋白酶体介导的降解BacPROTACs等等。

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：

2  分子具有较好成药性的结构，常常能符合Lipinski’s ‘‘rule of 5’’；

2  分子和降解之间的机理关系不是很明确；

2  可诱导多个蛋白的降解；

2  没有见到饱和结合的情况，没有hook-effect；

2  已有获批上市药物，用于治疗；

综合来看，此类分子在分子量（molecular weight，MW), 预测拓扑极性表面积（estimated topological polar surface area，TPSA),旋转键个数（number of rotatable bonds）, 醇水分布系数（octanol–water partition coefficient，logP), 氢键受体（hydrogen bond acceptors，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，Serendipitous discovery，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。

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。

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。

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。

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E3 CRL4^CRBN，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。

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。

New E3 identification methods^12,13

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。

Reference

1          Sasso, J. M. et al. Molecular Glues: The Adhesive Connecting Targeted Protein Degradation to the Clinic. Biochemistry, doi:10.1021/acs.biochem.2c00245 (2022).

2          Alabi, S. B. & Crews, C. M. Major advances in targeted protein degradation: PROTACs, LYTACs, and MADTACs. J Biol Chem 296, 100647, doi:10.1016/j.jbc.2021.100647 (2021).

3          Chen, Y. et al. Proteolysis-targeting chimera (PROTAC) delivery system: advancing protein degraders towards clinical translation. Chem. Soc. Rev (2022).

4          Frere, G. A., de Araujo, E. D. & Gunning, P. T. Emerging mechanisms of targeted protein degradation by molecular glues. Methods Cell Biol 169, 1-26, doi:10.1016/bs.mcb.2022.01.001 (2022).

5          Marei, H. et al. Antibody targeting of E3 ubiquitin ligases for receptor degradation. Nature, doi:10.1038/s41586-022-05235-6 (2022).

6          Pance, K. et al. Modular cytokine receptor-targeting chimeras for targeted degradation of cell surface and extracellular proteins. Nat Biotechnol, doi:10.1038/s41587-022-01456-2 (2022).

7          Chen, P. H. et al. Modulation of Phosphoprotein Activity by Phosphorylation Targeting Chimeras (PhosTACs). ACS Chem Biol 16, 2808-2815, doi:10.1021/acschembio.1c00693 (2021).

8          Domostegui, A., Nieto-Barrado, L., Perez-Lopez, C. & Mayor-Ruiz, C. Chasing molecular glue degraders: screening approaches. Chem Soc Rev 51, 5498-5517, doi:10.1039/d2cs00197g (2022).

9          Dong, G., Ding, Y., He, S. & Sheng, C. Molecular Glues for Targeted Protein Degradation: From Serendipity to Rational Discovery. J Med Chem 64, 10606-10620, doi:10.1021/acs.jmedchem.1c00895 (2021).

10        Kronke, J. et al. Lenalidomide induces ubiquitination and degradation of CK1alpha in del(5q) MDS. Nature 523, 183-188, doi:10.1038/nature14610 (2015).

11        Lei P, Z. J., Liao P, Ren C, Wang J, Wang Y. Current progress and novel strategies that target CDK12 for drug discovery. Eur J Med Chem 5, 114603, doi:10.1016/j.ejmech.2022.114603 (2022).

12        Du, G. et al. Exploring the target scope of KEAP1 E3 ligase-based PROTACs. Cell Chem Biol, doi:10.1016/j.chembiol.2022.08.003 (2022).

13        Stacey, P. et al. A Phenotypic Approach for the Identification of New Molecules for Targeted Protein Degradation Applications. SLAS Discov 26, 885-895, doi:10.1177/24725552211017517 (2021).