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分子膠的篩選案例詳解_MedChemExpress(MCE 中國(guó))

來(lái)源:MedChemExpress LLC   2025年06月03日 17:15  

 

分子膠的作用機(jī)制是什么,?已知的分子膠是如何被發(fā)現(xiàn)以及改造優(yōu)化的,?為什么 CRBN 類(lèi)分子膠的研究熱度最高?AI 能否助力分子膠的發(fā)現(xiàn),?本期小 M 將就這些問(wèn)題帶大家一探究竟~

 

分子膠(Molecular Glues)是一類(lèi)能夠誘導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的小分子,,近年來(lái)可謂是醫(yī)藥圈的‘香餑餑’。據(jù)不全統(tǒng)計(jì),,2020 年以來(lái)禮來(lái),、輝瑞等各大藥企在分子膠領(lǐng)域已經(jīng)完成 24 筆大的交易,整體交易規(guī)模加起來(lái)高達(dá) 270 億美元,。它們不僅擴(kuò)展了‘不可成藥’靶點(diǎn)的治療潛力,,還為癌癥、神經(jīng)退行性疾病等難治性疾病提供了新的解決方案,。

 

 

Section.01

分子膠的作用機(jī)制是什么,?

 

 

如圖 1,分子膠通常通過(guò)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)相互靠近發(fā)揮作用,,即誘導(dǎo)或增強(qiáng)兩種蛋白質(zhì)之間的相互作用。這可能會(huì)產(chǎn)生多種生物學(xué)效應(yīng),,包括:(A) 降解靶蛋白(通過(guò)誘導(dǎo)靶蛋白與 E3 連接酶相互靠近),;(B穩(wěn)定靶蛋白-效應(yīng)蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu);(C抑制酶的活性 (通過(guò)阻斷靶蛋白酶與其下游活動(dòng)所需的 Native binding partner 的結(jié)合),;(D激活靶蛋白的活性 (通過(guò)促進(jìn)靶蛋白與調(diào)節(jié)蛋白的相互作用,增強(qiáng)靶蛋白的活性),。

 

圖 1. 分子膠誘導(dǎo)蛋白相互作用功能示意圖[1]

 

 

Section.02

已知的分子膠是如何被發(fā)現(xiàn)

以及改造優(yōu)化的,?

 

 

小 M 為大家整理了 3 類(lèi)高效篩選分子膠的案例,,其基本研究思路為:① 構(gòu)建分子膠類(lèi)似物化合物庫(kù); ② 通過(guò)高通量篩選獲得苗頭分子; ③ Western blot 驗(yàn)證被降解的目標(biāo)蛋白; ④ AlphaScreening 或 NanoBit 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)蛋白-蛋白相互作用; ⑤ HiBiT 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)蛋白含量以獲得 DC50 (半數(shù)降解濃度) Dmax (最大降解率),。

 

案例一

利用高通量表型篩選出一類(lèi)分子膠降解劑,該分子膠可以誘導(dǎo)胎兒血紅蛋白 (HbF) 的表達(dá),,為治療鐮狀細(xì)胞病等血紅蛋白相關(guān)疾病提供了新的候選藥物,。

研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于高通量流式細(xì)胞術(shù)的表型篩選方法,使用人源 CD34+ 細(xì)胞衍生的成紅細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)?zāi)P蛠?lái)篩選胎兒 HbF 誘導(dǎo)劑,。研究人員篩選了一個(gè)包含 2,814 種基于 CRBN 的分子膠類(lèi)似化合物庫(kù),,發(fā)現(xiàn)了一組能夠增加 HbF 陽(yáng)性細(xì)胞比例的化合物 (如圖 2),同時(shí)不影響成紅細(xì)胞的增殖和分化,。這種表型在之前已知的 HbF 誘導(dǎo)劑類(lèi)別中很少見(jiàn)。

 

圖 2. 表型篩選流程與結(jié)果分析[2],。

 

隨后進(jìn)一步基于全局蛋白質(zhì)組學(xué)分析識(shí)別出在化合物 1 的處理下顯著變化的蛋白質(zhì),,圖 3A 表明化合物 1 是通過(guò) CRBN 依賴(lài)性降解轉(zhuǎn)錄因子 WIZ,,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了體外 HbF 誘導(dǎo)。圖 3B 表明化合物 1 能夠顯著降解 WIZ 并誘導(dǎo) HbF,因此被選為優(yōu)化的起點(diǎn),。

 

圖 3. 驗(yàn)證化合物 1 的作用靶點(diǎn)[2],。

(a) log2 (倍數(shù)變化和 p 值的雙重標(biāo)準(zhǔn),,確保篩選結(jié)果的可靠性和顯著性),(b) 體外活性分析,。

 

接下來(lái),,研究人員對(duì)化合物 1 進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改造得到化合物 2,該化合物同樣能夠以 CRBN 依賴(lài)的方式強(qiáng)效誘導(dǎo)胎兒 HbF 并降解 WIZ,,隨后研究人員進(jìn)一步評(píng)估化合物 1 和化合物 2 的理化性質(zhì)和藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì),,如圖 4 所示,,化合物 2 表現(xiàn)出更好的口服生物利用度 (BA%last = 12%),因此后續(xù)以化合物 2 作為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的先導(dǎo)分子,。

 

表 1. 化合物 1 和化合物 2 的 ADME/PK 數(shù)據(jù)[2],。

 

案例二

戊二酰亞胺是 CRNB 分子膠降解劑的關(guān)鍵片段,,研究人員開(kāi)發(fā)一種利用多組分反應(yīng)作為核心模塊化步驟合成含戊二酰亞胺分子膠庫(kù)的方法,。通過(guò)對(duì)合成的化合物庫(kù)進(jìn)行篩選發(fā)現(xiàn)了靶向酪蛋白激酶 1α (CK1α) 和 Wee 樣蛋白激酶 (WEE1) 的分子膠降解劑。并且通過(guò)分子對(duì)接和結(jié)構(gòu)分析,,為進(jìn)一步優(yōu)化分子膠提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),。

研究人員首先設(shè)計(jì)了一種新的化學(xué)合成策略,,即利用 GBB 反應(yīng) (Groebke?Blackburn?Bienayme,,一種多組分縮合反應(yīng)) 作為最后一步關(guān)鍵的合成步驟,,快速高效地獲得 200 多個(gè)結(jié)構(gòu)多樣的 CRBN 分子膠庫(kù),。

 

圖 4. 基于多組分反應(yīng) (GBB reaction) 一步合成含 HRZ 骨架的化合物庫(kù)[3],。

 

隨后,研究人員在 CRBN 野生型和 CRBN 敲除的 MOLT-4 細(xì)胞 (人白血病細(xì)胞) 中進(jìn)行 72 小時(shí)的細(xì)胞存活率實(shí)驗(yàn),,以篩選出以 CRBN 依賴(lài)性方式誘導(dǎo)強(qiáng)效抗增殖的化合物,,結(jié)果找到 3 個(gè)苗頭分子,其中化合物 2 的 EC50 低于 5 nM,,化合物 1 和 3 的 EC50 分別為 12 nM 和 139 nM,。

 

圖 5. 3 個(gè)苗頭分子結(jié)構(gòu)[3]

 

接下來(lái),,研究人員基于化合物 2 來(lái)識(shí)別靶點(diǎn),通過(guò)全細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)分析 (whole-cell proteome profiling) 檢測(cè)化合物 2 處理 MOLT-4 細(xì)胞 5 小時(shí)后的蛋白變化,,發(fā)現(xiàn) CK1α (酪蛋白激酶 1α) 和 WEE1 (細(xì)胞周期調(diào)控激酶) 是主要降解靶點(diǎn),,并通過(guò) Western blot 確認(rèn)化合物 1,2,3 是 CRBN 依賴(lài)的 CK1α 和 WEE1 降解劑,。

 

圖 6. 全細(xì)胞蛋白組學(xué)結(jié)果分析圖 (CSNK1A1 即為 CK1α) 以及 Western blot 驗(yàn)證圖[3],。

 

隨后研究人員開(kāi)始進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,,以化合物 1 作為改構(gòu)起點(diǎn),。為了方便構(gòu)效關(guān)系分析,研究人員引入 HiBit 標(biāo)簽,以定量監(jiān)測(cè) Jurkat 細(xì)胞 (T 細(xì)胞白血病細(xì)胞) 中內(nèi)源性 WEE1 和 CK1α 蛋白的水平,,將經(jīng)過(guò)改造的細(xì)胞系與不同濃度的化合物一起孵育 5 小時(shí),,然后通過(guò)終點(diǎn)熒光素酶測(cè)定法來(lái)檢測(cè)靶點(diǎn)的降解情況獲得 DC50 Dmax,。改構(gòu)主要基于傳統(tǒng)的藥化改構(gòu)思路,圍繞化合物 1 的骨架進(jìn)行較小的改動(dòng),,以獲得活性和選擇性更好的化合物,最終得到化合物 10 是活性好的分子,。

 

表 2. HRZ-1 骨架苯胺取代基的 SAR 分析[3],。

 

值得一提的是,研究人員還通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 2 個(gè)重要的問(wèn)題,,第一個(gè)問(wèn)題是已報(bào)道的認(rèn)為 CRBN 分子膠都是通過(guò)一個(gè)由含有甘氨酸殘基的 β 發(fā)夾環(huán) (G loop) 的降解標(biāo)簽基序來(lái)與新底物結(jié)合的,,研究人員分別測(cè)試了化合物 10 對(duì)野生型 WEE1 (WEE1-WT)、甘氨酸 322 突變?yōu)楸彼岬?WEE1 (WEE1-G322A) 以及甘氨酸 322 突變?yōu)樘於0返?WEE1 (WEE1-G322N) 的降解變化,,結(jié)果和已報(bào)道的結(jié)論一致,,WEE1-G322N 突變阻止了 WEE1 的降解。

第二個(gè)問(wèn)題是化合物 10 是如何介導(dǎo) WEE1 與 CRBN-DDB1 結(jié)合,,通過(guò) cryo-EM 獲得 WEE1-化合物 10-CRBN-DDB1 的復(fù)合物結(jié)合模式,,結(jié)果顯示 WEE1 的 G loop 對(duì)介導(dǎo)三元復(fù)合物的形成很重要。與此同時(shí),,盡管化合物 10 具有高親和力,,但它與復(fù)合物的結(jié)合并沒(méi)有使整個(gè)復(fù)合物變得剛性,。如圖 7,化合物 10 主要存在兩種可能的構(gòu)象,,且通過(guò)對(duì)化合物 13 進(jìn)行分子對(duì)接顯示:化合物 10 和 13 的 pose 基本和 fit1 一致,。作者又將 WEE1-化合物 10-CRBN-DDB1 復(fù)合物與已報(bào)道的 DDB1-CRBN-SJ3149-CK1α 復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊合。在化合物 10 的兩種可能結(jié)合模式中,,咪唑并吡啶和金剛烷基取代基都與 SJ3149 的苯并惡唑部分部分重合,,這為進(jìn)一步優(yōu)化分子膠提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

 

圖 7. 冷凍電鏡呈現(xiàn)的 DDB1-CRBN-化合物 10-WEE1 的復(fù)合物密度圖以及放大后的 WEE1-CRBN 相互作用區(qū)域圖[3],。

其中顯示了化合物的 2 種可能結(jié)合模式 (左圖),。CRBN-CK1α 相互作用口袋中,化合物 10 與來(lái)那度胺 (Lenalidomide) 和 SJ3148 的結(jié)合模式比較 (右圖),。

 

案例三

構(gòu)建靶向 VHL 的 CIP-DEL 篩選文庫(kù),,該文庫(kù)包含約 938,730 個(gè)化合物。開(kāi)發(fā)一種基于親和力的 CIP-DEL 篩選方法,,利用“呈遞蛋白比率”來(lái)理性篩選具有高協(xié)同性的小分子化合物,,對(duì)分子膠的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。

諾華的研究人員參考已報(bào)道的 BRD7/BRD9 降解劑 VZ185 的 VHL 配體的連接方式,,通過(guò)酚氧基團(tuán)構(gòu)建基于三嗪的多樣化 DEL 文庫(kù),,DNA headpiece 和 DNA tag 連接在靶向 VHL 配體的遠(yuǎn)端酰胺上。

基于三輪建庫(kù),,第一輪在三嗪和靶向 VHL 的配體之間引入 13 種連接子,,第二輪和第三輪分別在三嗪骨架上引入 290 種和 249 種不同分子砌塊,最終構(gòu)建了一個(gè)包含 938,730 個(gè)分子的 DEL 篩選文庫(kù),。

 

圖 8. VHL CIP-DEL 文庫(kù)核心骨架[4],。

 

在 CIP-DEL 篩選試驗(yàn)中,首先將 His-tag 的 BRD9 (靶蛋白) 固載在磁珠上,,并使用 2 種不同的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)鑒定潛在的分子膠。如圖 10 所示,,將文庫(kù)和固載的 BRD9 蛋白孵育 (允許形成二元復(fù)合物),,文庫(kù)首先和 VCB (VHL–elongin C–elongin B) 預(yù)孵育,再和固載的 BRD9 蛋白孵育 (允許形成三元復(fù)合物),。為了控制非特異性結(jié)合,,在不存在 BRD9 的情況下,將文庫(kù)和磁珠孵育,。洗滌 3 次后,,加熱使蛋白質(zhì)變性以釋放結(jié)合物,再將 DNA 條形碼進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增和測(cè)序以鑒定結(jié)合物的結(jié)構(gòu),。

 

圖 9. DEL 篩選流程[4],。

 

為了計(jì)算富集,,研究人員將 DNA 條形碼的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)建模為 Poisson 抽樣,通過(guò)這種建模方式,,研究人員能根據(jù)總樣本計(jì)數(shù)對(duì)各個(gè)計(jì)數(shù)進(jìn)行歸一化處理,,同時(shí)也會(huì)考慮到測(cè)序數(shù)據(jù)的不確定性。二元富集度通過(guò) BTL 的計(jì)數(shù)值除以 BL 的計(jì)數(shù)值來(lái)計(jì)算,,三元富集度通過(guò) BTLP 的計(jì)數(shù)值除以 BL 的計(jì)數(shù)值來(lái)計(jì)算,,而呈遞蛋白比率則通過(guò) BTLP 的計(jì)數(shù)值除以 BTL 的計(jì)數(shù)值來(lái)計(jì)算,本質(zhì)上得到的是三元富集度與二元富集度的比值,。呈遞蛋白比率越高,,表明 CIP-DEL 化合物與 BRD9 的結(jié)合越依賴(lài)于 VCB 的存在,這意味著該化合物具有更高的協(xié)同性,。研究假設(shè)可以利用呈遞蛋白比率來(lái)篩選在與 BRD9 和 VCB 形成三元復(fù)合物時(shí)具有不同協(xié)同程度的小分子,。

如圖 11,研究人員將結(jié)果分為三類(lèi):第一類(lèi)是三元復(fù)合物富集度高但呈遞蛋白比率低 (主要是帶有 9 號(hào)連接子 (珊瑚色) 和 12 號(hào)連接子 (藍(lán)色) 化合物),,第二類(lèi)是三元復(fù)合物富集度中等和呈遞蛋白比率中等的化合物 (11 號(hào)連接子 (黃色) 化合物),,第三類(lèi)是三元復(fù)合物富集度低和呈遞蛋白比率高的化合物 (主要是 13 號(hào)連接子 (綠色) 化合物)

 

圖 10. 三元復(fù)合物富集度與呈遞蛋白比率的關(guān)系圖[4],。

 

后續(xù)通過(guò) AlphaScreen 進(jìn)行協(xié)同性驗(yàn)證,,發(fā)現(xiàn)化合物 13-3 和 13-7 無(wú)鉤狀效應(yīng)。在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中,,13-7 在 NanoBiT 實(shí)驗(yàn)中誘導(dǎo)三元復(fù)合物形成且無(wú)鉤狀效應(yīng),,在 HiBit 實(shí)驗(yàn)中對(duì) BRD9 的降解也無(wú)鉤狀效應(yīng),且具有較好的選擇性,。

 

圖 11. AlphScreen, NanoBiT 和 HiBiT 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖[4],。

 

 

Section.03

為什么 CRBN 類(lèi)分子膠的

研究熱度最高?

 

 

一家專(zhuān)注于分子膠降解劑開(kāi)發(fā)的公司 Monte Rosa Therapeutics 對(duì) CRBN 的底物進(jìn)行了更廣泛的探索,。已知的 Neo-substrate 有 CK1α,、GSPT1、IKZF1,、IKZF2,、WIZ 等,這些都是傳統(tǒng)意義上的難成藥靶蛋白,。這些 Neo-substrate 通過(guò)一個(gè) G-loop 與 CRBN/CELMoD 結(jié)合,,G-loop 由 β-hairpin α-turn 構(gòu)成,在特定位置有一個(gè)共同的甘氨酸,,因此也被稱(chēng)為 β-hairpin G-loop,。

研究人員首先以 CK1α 的 β-hairpin G-loop 作為查詢(xún)模板 (該模板由 I35 到 E42 八個(gè)氨基酸組成,包含 5 個(gè)上游殘基 (G-5) 和 2 個(gè)下游殘基 (G+2)),在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù) (PDB) 和 AlphaFold2 (AF2) 預(yù)測(cè)的人類(lèi)蛋白質(zhì)中進(jìn)行搜索,。選擇與查詢(xún)模板的均方根偏差 (RMSD) 小于 0.75? 且與 CRBN 無(wú)空間位阻基序,,并去除其中主要定位于細(xì)胞外的蛋白質(zhì),最終確定了 1,424 種含有 CRBN 兼容 β-hairpin G-loop 的蛋白質(zhì),。除此之外,,還發(fā)現(xiàn)一種新的 helical G-loop 基序,存在于 184 種蛋白質(zhì)中,,進(jìn)一步擴(kuò)展了 CRBN-neosubstrate 的范圍,。

 

圖 12. β-hairpin G-loop 模版數(shù)據(jù)挖掘示意圖[5]

 

 

Section.04

AI 能否助力分子膠的發(fā)現(xiàn),?

 

 

一直以來(lái),,分子膠的計(jì)算評(píng)估是一大難點(diǎn),這包括三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè),,DC50 和親和力難以有很強(qiáng)的相關(guān)性,。

3 月 22 日,VantAI 給制藥行業(yè)帶來(lái)了振奮人心的消息,,推出 NEO-1 模型,,該模型被譽(yù)為藥物研發(fā)領(lǐng)域一款具有開(kāi)創(chuàng)性的人工智能模型。NEO-1 不僅能夠預(yù)測(cè)生物分子結(jié)構(gòu),,還能從頭生成分子,,尤其是具備從頭生成分子膠方面的能力。大家感興趣可以去進(jìn)一步了解 vant.ai/neo-1,。截止今日,,該模型還無(wú)法試用且無(wú)公開(kāi)的文獻(xiàn),小 M 很期待該模型能公開(kāi),,到時(shí)跟大家再進(jìn)一步分享,。

 

圖 13. 歷代結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型能力[6]

 

MCE 一站式藥篩平臺(tái)聚焦于藥物發(fā)現(xiàn)早期,,可為客戶(hù)提供多樣化的分子膠化合物庫(kù) (HY-L918 & HY-L137),,HY-L918 分子膠類(lèi)似物庫(kù)由基于CRBN,VHL和DCAF14的分子膠類(lèi)似物構(gòu)成,。同時(shí)可提供 DEL 定制和篩選服務(wù),,蛋白定制服務(wù)表型篩選服務(wù)以及分子膠的合成定制服務(wù)等,,為科研客戶(hù)及新藥研發(fā)客戶(hù)提供—站式分子膠發(fā)現(xiàn)及研究服務(wù)。

 

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[1] Holdgate, Geoffrey A. et al. SLAS Discovery, Volume 29, Issue 2, 100136

[2] John Ryan Kerrigan, Noel M.et al. Journal of Medicinal Chemistry 2024 67 (22), 20682-20694

[3] Hlib Razumkov.et al. Journal of the American Chemical Society 2024 146 (46), 31433-31443

[4] Liu S.et al. J Am Chem Soc. 2023 Oct 25;145(42):23281-23291

[5] Georg Petzold.et al. bioRxiv 2024.10.07.616933

 

 


 

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