图1. 常见神经退行性疾病的病理部位、致病机制和靶向蛋白降解技术

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神经退行性疾病的发病机制

ND 可分为 HD（亨廷顿舞蹈症）、tau蛋白病和 PD（帕金森综合征）。亨廷顿病是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，由 HTT 外显子 1 中的 CAG 重复异常扩增至超过 35 个重复，随后导致 mHTT 蛋白表达，导致神经元功能障碍和死亡。它会导致运动功能障碍和认知障碍等症状。而Tau蛋白病通常包括 AD、FTD 和进行性核上性麻痹(PSP)，通常有过度磷酸化tau蛋白(p-tau)的病理积累，如细胞内成对螺旋丝(phfs)或神经纤维缠结(nfts)，导致受影响脑区神经元和胶质细胞死亡。帕金森病的特征是黑素细胞中多巴胺能神经元的丢失。α-syn是PD病理过程中的关键蛋白。α-syn以白神经突起的形式异常积累和错误折叠与PD神经元的功能障碍和变性有关。

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基于泛素-蛋白酶体系统（UPS）的靶向蛋白 降解技术用于神经退行性疾病的治疗

随着研究人员越来越认识到UPS途径在蛋白质降解中的重要性，已经开发了许多基于UPS的TPD技术。鉴于NDs致病靶蛋白难以成药的缘故，开发基于UPS系统的靶向蛋白质降解药物用于NDs治疗可能是一个全新有效的且富有治疗前景的策略。

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用于神经退行性疾病治疗的PROTAC

1.1 用于亨廷顿病治疗的 PROTAC

研究报道，PROTACs可在体外有效降解 mHTT蛋白（mHTT蛋白是亨廷顿舞蹈症研究的最佳生物标志物之一）。研究人员以BTA 和 PDB 作为mHTT 配体，BE04 和 MV1 用作 E3 泛素配体，开发靶向 mHTT的 PROTAC（化合物1和2，图2）。然而，这两种化合物都未能有效地区分野生型 HTT(wtHTT) 和 mHTT，导致 wtHTT 水平下降，这被认为是一个潜在的安全隐患。因此，在HD治疗方面，PROTAC的选择性还有待进一步研究。

图2. 用于治疗神经退行性疾病的PROTAC及DUBTAC的作用机制

1.2 用于Tau蛋白病治疗的PROTAC

PROTAC对tau降解的研究最早始于2016年，研究人员首次证明了靶向tau蛋白的PROTAC可以有效诱导tau蛋白的降解，并有效地降低了由Aβ引起的细胞毒性。在3xTg-AD小鼠模型中也进一步证实PROTAC可以促进小鼠海马ca3区和大脑皮层区中tau蛋白的降解。此外，研究人员还分别报道了基于VHL配体和CRBN配体的tau蛋白降解剂（化合物3和4，图2A），其中，化合物3降低了 tau 介导的神经元应激脆弱性，并且对健康神经元中的 tau蛋白影响甚微。2021年，研究人员报道了一种名为C004019，以VHL配体作为E3连接酶配体的tau蛋白降解剂（化合物5，图2A），WB实验表明该降解剂在体外可有效地诱导 tau 蛋白的降解。化合物5的脑室内注射也诱导了 AD 模型小鼠中 tau 蛋白的降解，通过一系列行为实验评估小鼠的认知能力，以及结合体内LTP 和染色的结果，发现小鼠的突触和认知功能得到了明显地改善。

除了上述 AD 和 FTD 中的经典靶蛋白外，一些与疾病相关的酶也在 PROTAC 靶向降解的研究范围内。例如，糖原合酶激酶 3 (GSK-3) 属于磷酸转移酶家族中的多功能丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。目前的研究表明，GSK-3β可以促进AD的病理过程，包括tau磷酸化和Aβ肽的产生。研究人员开发了一种使用 CRBN 作为 E3 配体的 PROTAC（化合物6，图2A）以靶向和诱导 GSK-3β 的降解。并且他们发现化合物6可以减轻神经细胞的炎症反应和细胞损伤，具有神经保护作用。

DUBTAC是基于PROTACs原理开发的治疗策略。DUBTAC 也由异双功能分子组成。蛋白质靶向配体与 DUB 配体连接，以诱导 DUB分子与靶蛋白靠近，从而实现目标蛋白的去泛素化并稳定靶蛋白水平（图2B）。因此，DUBTAC 技术可以通过稳定 AD 治疗中的神经保护蛋白，以起到相应的治疗作用。

1.3. 用于帕金森病治疗的 PROTAC

2020年，研究人员开发了针对α-Syn的PROTAC用于治疗AD和PD。据报道，有 6 个分子在体外对α-Syn均表现出较好的降解效果 ，其中 4 个PTOTAC的Dmax达到了65%（化合物7-10）（图3A），其余两个PROTAC也分别（化合物11-12）降解了30-65% 的 α-Syn（图3B)。目前，针对 α-Syn 的 PROTAC在体外的研究结果积极，极大地鼓舞了进一步的体内研究。

图3.靶向α-Syn的PROTAC化学结构

目前，PROTAC 技术在治疗 NDs 方面已显示出积极的治疗前景，例如其独特的靶向“不可成药”靶点以及突变蛋白的能力。由于 PROTAC 技术需要依赖 UPS 系统来降解目标蛋白，因此其降解蛋白聚集体和其他非蛋白质分子的能力似乎有限。目前，PROTACs在 NDs 治疗中也面临一些挑战，如PROTAC 的分子量较大，导致细胞渗透率低及较差的理化性质，其次不能有效降解细胞外蛋白和膜蛋白以及细胞器，有限可利用的 E3 连接酶等等。

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用于神经退行性疾病治疗的疏水标签降解剂

图4.基于疏水标签降解剂的降解机制

2.1用于阿尔茨海默病治疗的疏水标签

2017 年，研究人员设计并合成了一种具有三重功能的疏水标签，用于靶向 tau 蛋白降解。HyT-Tau-CPP（包括化合物 15-19，图5）由疏水基团、tau 蛋白配体和细胞穿膜肽组成。并且后续的体内外实验均证明了疏水标签对tau蛋白的特异性降解。HyTs 依赖于泛素-蛋白酶体途径来降解靶蛋白。与 PROTAC 技术不同的是，HyTs 不能够区分正常tau 蛋白和异常tau蛋白，也不区分聚合tau蛋白和溶解 tau蛋白。

图5. 降解 tau 蛋白的疏水标签

2.2用于肌萎缩侧索硬化症治疗的疏水标签

TAR DNA 结合蛋白 43 (TDP-43) 是 ALS 的关键治疗靶点。2019年，研究人员设计了靶向TDP-43蛋白的疏水标签用于治疗ALS（化合物20，图6）。疏水标签包括三个功能部分：HyT（疏水基团）、TDP-43蛋白配体和CPP（细胞穿透肽）。果蝇模型的体内外实验均表明它可以诱导TDP-43的降解。然而，由于降解活性不高，且降解需要大剂量的HyT，同时降解剂对细胞表现出轻微毒性，因此，如何降低疏水标签的细胞毒性也是后续研究的关键焦点。

图6. 靶向 TDP-43 细胞穿透肽 (CPP) 的疏水标签 (D4) 结构

HyTs的降解作用依赖于泛素-蛋白酶体途径，但基于疏水标签降解的具体机制还有待进一步研究，例如疏水性标记介导的降解与分子伴侣的关系等。研究表明疏水标签可渗透 BBB，但由于使用的剂量大，它们可能会造成不可避免的细胞毒性，这仍需要进一步研究解决。HyTs 分子量小，独立于泛素化和 E3 连接酶，被认为在 AD 和 ALS 的治疗中具有重要的研究价值，尽管目前HyTs对 tau蛋白降解的研究较少，但它对包括 FTD 和 PSP 在内的tau蛋白病仍然具有很大的研究前景。

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依赖溶酶体途径的神经退行性疾病疗法的 靶向蛋白降解技术

泛素-蛋白酶体途径具有降解靶蛋白的巨大潜力，但它通常具有许多局限性，例如在降解非细胞内蛋白、细胞器和聚集蛋白方面效率低下等。据统计，大约 40% 的人类蛋白质组是胞外蛋白，并且这些蛋白在疾病进展中起重要作用。因此，需要开发新的独立于UPS的TPD技术，以满足NDs中靶向蛋白降解的需求。

与泛素-蛋白酶体途径不同，溶酶体途径不限于胞内蛋白的降解。溶酶体途径通常包括两种降解靶蛋白的机制，即内体-溶酶体途径（ELP）和自噬-溶酶体途径（ALP）。研究人员开发了LYTAC、AUTAC、ATTEC等蛋白质降解技术，进一步补充了依赖UPS通路的TPD技术的空缺，并有可能弥补依赖UPS途径的TPD技术治疗NDs的诸多不足。

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用于神经退行性疾病治疗的LYTAC

与 PROTAC 不同，LYTAC可以通过内体-溶酶体途径降解细胞外和膜相关蛋白。LYTAC由两部分组成：靶蛋白配体和细胞表面溶酶体靶向受体(LTR)配体。内源性LTR可以结合细胞外糖蛋白并将它们运送到溶酶体，并且靶蛋白配体可以由抗体或抗体片段等多种成分。

图7.基于溶酶体途径的靶向蛋白降解剂

1.1 LYTAC 靶向细胞外蛋白用于神经退行性疾病治疗

LYTAC作为一种新兴的蛋白质靶向降解技术，虽然在治疗NDs方面的研究成果不多，但已显示出巨大的治疗潜力。2020 年，首次在体外证明了 LYTAC 靶向降解载脂蛋白 E4 (ApoE4)，这是一种与 AD 相关的细胞外蛋白。同时，LYTAC 技术也被认为具有降解 HD 中 mHTT 蛋白的潜在能力。此外，LYTAC能够降解细胞外蛋白和膜蛋白，以细胞类型特异性方式抑制癌细胞增殖，这再次体现LYTAC技术在降解NDs细胞外致病蛋白方面的潜力。因此，推测 Aβ 和其他在细胞外异常积累的致病蛋白可能是 LYTAC 降解的潜在靶点。然而，该技术与靶蛋白之间的特异性相互作用需要进一步研究。尽管如此，LYTACs作为一种新兴的可靶向非胞内蛋白的TPD技术，有望弥补依赖UPS系统的TPD方法的空缺，但仍需要更具体深入的研究。与PROTACs一样，LYTAC技术也面临着分子量大的问题。另外，LYTAC技术所依赖的LTR细胞特异性较差，LTR配体也可能引起宿主免疫反应。

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用于神经退行性疾病治疗的 AUTAC

自噬是一种主要的细胞内降解途径。细胞质物质被运送至自噬小体中，自噬体与溶酶体融合并通过溶酶体水解酶降解其内容物。AUTAC主要由三部分组成，分别是靶蛋白的靶向配体、连接链和降解标签鸟嘌呤衍生物。AUTAC通过S-鸟苷化修饰诱导靶蛋白多聚泛素化，使靶蛋白进入自噬体，并与溶酶体融合，从而实现靶蛋白的降解。与PROTACs等技术相比，AUTAC技术可以降解碎片细胞器，进一步拓宽了TPD靶蛋白的范围。因此，AUTAC技术在治疗NDs等疾病方面具有巨大的治疗潜力。然而，AUTAC技术同样存在诸多不足，如自噬靶点泛素化的类型和作用机制不清楚，这阻碍了具有更好靶点选择性的AUTAC的开发，可能会导致标签后逃逸等现象的发生。

2.1用于帕金森病治疗的 AUTAC

α-Syn 是 PD 病理学中的关键蛋白，α-Syn 的异常积累和错误折叠与 PD 神经元的功能障碍和退化有关。研究表明，自噬的激活可以减少 α-Syn 的异常积累。虽然目前还没有具体的实验证明AUTAC技术可以诱导α-Syn降解，但AUTAC技术的发展无疑为α-Syn降解治疗PD提供了新的可能。

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用于神经退行性疾病治疗的ATTECs

自噬束缚化合物是一种自噬介导的 TPD 技术，ATTEC分子可以将自噬膜表面的自噬蛋白LC3与靶蛋白结合，从而通过自噬途径降解靶蛋白。与PROTAC结构不同，ATTEC 的分子结构更像是分子胶。ATTEC 分子通过直接结合 POI（目标蛋白）和关键的自噬蛋白 LC3 的作用，将 POI 运送到自噬体进而降解。ATTEC 具有相对较低的分子量，一些 ATTEC 分子可以穿透 BBB。与 PROTAC 不同，除了可以降解细胞内蛋白质外，ATTEC 还可能靶向降解非蛋白质底物。

3.1用于亨廷顿病治疗的ATTECs

2019年，研究人员通过采用高通量筛选的策略设计了靶向mHTT的ATTECs。通过向HD小鼠腹膜内注射该化合物证实了药物可以穿过BBB，从而诱导mHTT 降解。此外，在用该化合物处理的培养的神经元中未观察到细胞毒性。随后的动物模型中进行行为和表型测试实验结果也表明，靶向mHTT的ATTECs可以明显减轻HD动物模型中的相关症状。

目前，ATTEC作为一种靶向蛋白降解技术，具有分子量低、靶向特异性强、靶向非蛋白结构的潜在能力等优点，在NDs治疗领域具有重要价值。但ATTEC技术还有很多缺陷需要改进：目前ATTEC的设计缺乏通用且系统的指导策略，同时对与LC3蛋白相互作用的化学分子了解甚少。

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分子伴侣介导的自噬用于神经退行性疾病治疗

图8.CMA介导的蛋白降解机制

研究表明CMA 已用于 NDs 领域的研究和开发，研究人员在非HD细胞和小鼠模型中发现了分子伴侣介导的自噬(cma)的代偿性上调，这表明由于自噬功能障碍导致的HD早期阶段，CMA活性增加，并随着年龄的增长而下降。此外，有研究表明 CMA 激活可降低 tau 蛋白水平，说明CMA途径和NDs治疗之间存在相关性。2021年，二甲双胍被确定为CMA的新型诱导剂，二甲双胍可以通过诱导APP/PS1 小鼠海马受体中 Hsc70 过表达而诱导的 CMA 激活，缓解了这种AD小鼠模型认知功能缺陷症状，表明CMA激活是治疗AD的有效策略。

— 小结—

随着全球人口老龄化，神经退行性疾病患者逐渐增多，患者的记忆力、认知力和运动能力都会不同程度受损。NDs的药物研发至少面临三个巨大难题：

1、易于聚集的蛋白会引起疾病的发生但与内在功能无关；

2、药物透过BBB的能力有限；

3、药物不良反应的存在。

目前没有神经退行性疾病可以被治愈，但随着新的TPD技术的不断发展和靶向蛋白降解的分子设计系统的改进和完善，可以预见全新且有效的NDs疗法。随着TPD技术在NDs领域的不断深入研究，有望解决目前遇到的技术瓶颈，减轻ND患者的痛苦，提高人们的生活质量。

参考文献：

1.Protein aggregation and neurodegenerative disease. Nat. Med. 2004, 10, S10−S17.

2.A. Novel approaches for the treatment of Alzheimer’s and Parkinson’s disease. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 719

3.Comprehensive review on Alzheimer’s disease: causes and treatment. Molecules 2020, 25, 5789.

4.PROTACs and other chemical protein degradation technologies for the treatment of neurodegenerative disorders. Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60, 3346−3354

5.Proteolysis targeting chimeras (PROTACs) are emerging therapeutics for hematologic malignancies. J. Hematol. Oncol. 2020, 13, 103.返回搜狐，查看更多