《European Journal of Medicinal Chemistry》：PROTACs as novel therapeutics against
Mycobacterium tuberculosis: Current progress and future directions
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靶向蛋白質降解（TPD）技術通過泛素化-蛋白酶體系統特異性清除致病蛋白，為克服結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）耐藥性問題提供新策略。文章系統評述了PROTACs在結核治療中的潛力，包括其靶向降解機制、與細菌蛋白降解系統（如ClpP/McsB通路）的協同作用，以及當前面臨的挑戰如E3連接酶特異性不足、細胞滲透性差等。研究指出，結合藥物化學優化、結構生物學解析新型降解靶點及遞送系統創新，可顯著提升PROTACs作為抗生素的療效與安全性。
Deepthi Ramesh | Ahmed Ameen Thottasseri
加利福尼亞大學舊金山分校藥物化學系，美國94158
摘要
靶向蛋白降解（TPD）已成為藥物發現領域的一項變革性策略，提供了以高特異性消除致病蛋白的新方法。與傳統的小分子抑制劑不同，后者通常需要持續與靶標結合，并且容易因靶標突變而產生耐藥性，TPD利用細胞內源性的泛素-蛋白酶體系統來催化降解致病蛋白，從而實現強大且持久的治療效果。本文綜述了一種名為PROTAC的TPD技術的最新進展及其對抗結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）的潛力。我們討論了細菌中的耐藥機制以及基于PROTAC的降解方法的各種機會，探討了實現選擇性的挑戰，并概述了將PROTAC整合到抗菌治療中的未來方向。這一新興范式有望通過針對性地清除致病蛋白來徹底改變傳染病的治療方式。
引言
結核分枝桿菌（M.tb）無疑是影響人類最古老且最具侵襲性的病原體之一[1]。即使在接種卡介苗（BCG）和有效化療之后，M.tb仍然是全球單一感染性病原體導致死亡的主要原因。近年來，由于耐藥菌株的出現以及與HIV和利什曼病的共感染，無論是發展中國家還是工業化國家，結核病病例都呈上升趨勢[2]。鑒于該疾病的嚴重性，世界衛生組織（WHO）于1993年宣布結核病為全球緊急公共衛生事件[3]。2023年，有1080萬人被檢測出結核病陽性，125萬人因此死亡。多重耐藥（MDR）和廣泛耐藥（XDR）菌株的激增導致結核病死亡率降低的目標未能實現，而這一目標正是聯合國可持續發展目標所提出的[4]。分枝桿菌科包含超過170個已知的物種，其中分枝桿菌屬在致病潛力上表現出顯著多樣性，從嚴格的致病菌到機會性和非致病菌都有[5]。M.tb復合群（MTBC）包括M.tb、M.bovis、M.microti和M.caprae等物種。這些物種之間的遺傳相似性通過DNA-DNA雜交、16S rRNA基因測序、多位點酶電泳以及16S–23S rRNA內部轉錄間隔區測序得以驗證[6]。M.tb是一種生長緩慢的需氧桿菌，屬于化能有機營養型，不形成孢子且不具備運動能力。在37°C的最佳溫度下，M.tb的倍增時間為12-24小時，在瓊脂平板上形成淡黃色、表面粗糙的菌落，僅需3周時間[7]。
目前大多數抗結核藥物都是幾十年前開發的，長期使用導致了耐藥菌株的出現。為應對這一問題，過去十年間人們集中力量合作，尋找新的靶標抑制劑組合以重新激活結核病藥物研發管線。為了減輕疾病負擔，WHO制定了改進的治療方案，同時強調需要新的藥物和靶點。根據2024年WHO的指南，對于敏感結核病患者，6個月的治療方案包括前兩個月使用異煙肼（INH）、利福平（RIF）和乙胺丁醇（ETH），隨后再使用INH和RIF共4個月[1],[8],[9],[10]。對于耐藥結核病患者，則通常使用二線和三線藥物，如鏈霉素、卡那霉素和氯法齊明[11,12]。然而，抗結核藥物的不良反應常常導致患者依從性差、耐受性降低以及治療提前終止，這些因素都會進一步加速細菌耐藥性的發展。圖1展示了正在臨床試驗中的抗結核藥物[13]，表1概述了這些藥物的信息。
靶向蛋白降解（TPD）通過蛋白酶體和溶酶體途徑成為解析細胞機制和潛在治療策略的有效方法。TPD的基本概念最早在1999年提出，此后開發出了多種TPD模式[40]。這些方法包括蛋白水解靶向嵌合體（PROTACs）[41],[42],[43],[44],[45]、降解標簽（dTAGs）[46]、分子膠水（molecular glues）[47,48]、Trim-Away[49]以及特定的非遺傳性凋亡蛋白依賴性蛋白擦除劑抑制劑（SNIPERs）[50]。這些策略在真核生物中主要利用泛素-蛋白酶體系統（UPS），旨在靶向細胞內蛋白[51]。PROTACs是推動這一模式發展的主要分子類別之一，它們是由兩個通過化學間隔連接在一起的配體組成的雜化化合物[43,44,52]。盡管PROTACs在腫瘤學和免疫學領域取得了快速進展，但其在細菌病原體中的應用仍大多處于概念階段。盡管PROTAC技術有望開發出具有新作用機制的更強效抗生素，但由于細菌缺乏E3連接酶-蛋白酶體系統，其直接應用于細菌受到限制。然而，最近的研究表明，細菌PROTACs（BacPROTACs）已經證明能夠降解分枝桿菌中的關鍵蛋白。本文探討了在細菌中利用靶向降解的潛力，分析了細菌的降解機制作為可藥物化靶點的潛力，并評估了將PROTACs開發為新型抗菌藥物的前景和挑戰。同時，文章也指出了細菌中的耐藥機制，這些機制使得許多小分子抗生素隨時間推移變得無效，因此強調了需要新的靶向方法。
分枝桿菌中的耐藥機制
科學界在抗擊結核病方面面臨多項關鍵挑戰，包括耐藥菌株的增加、對M.tb生物學機制的了解有限、需要發現和驗證新的治療靶點以及尋找具有新作用機制的有效抑制劑。此外，還需要開發適合HIV和糖尿病患者的友好藥物方案、縮短標準治療時間、提高治療成本效益等。
降解的機會
一種有前景的抗菌策略是利用細菌自身的細胞內蛋白降解機制來誘導細胞死亡。這一概念最早在1997年提出，當時研究人員闡明了大腸桿菌中的酪蛋白分解蛋白酶P（ClpP）的結構。細菌利用ClpP以及其他多種肽酶來降解錯誤折疊或調控蛋白。ClpP與AAA+（與多種細胞活動相關的ATP酶）協同工作，共同完成這一過程。
PROTACs：概述
蛋白水解靶向嵌合體（PROTACs）由Sakamoto等人于2001年首次提出。這類雜化分子包含三個關鍵組成部分：一個用于結合目標蛋白（POI）的配體、一個化學連接劑，以及一個能招募E3泛素連接酶的配體。當PROTACs同時結合POI和E3連接酶時，會形成一個三元復合物（POI-PROTAC-E3連接酶）。通過劫持泛素-蛋白酶體系統（UPS），這種相互作用促進了目標蛋白的多聚泛素化。
PROTACs作為抗生素策略
PROTACs和其他靶向蛋白降解方法在降解哺乳動物蛋白方面顯示出巨大潛力。由于細菌中缺乏泛素-蛋白酶體系統，最初認為將PROTACs開發成強力抗生素是不可行的。然而，革蘭氏陽性細菌利用了一種名為ClpC:ClpP:McsB的新系統。在該系統中，McsB作為“標記激酶”，使底物蛋白上的精氨酸殘基磷酸化，從而形成磷酸精氨酸（pArg）標記。未來挑戰與機遇
盡管PROTACs具有巨大潛力并在臨床前研究中取得了顯著成功，但仍面臨諸多挑戰。例如，需要為每個靶點定制特定的E3連接酶，同時還存在細胞滲透性和分子穩定性問題。PROTAC的安全性和有效性方面仍有許多未解之謎，特別是關于這些分子作為治療藥物的長期影響。與傳統的小分子藥物相比，PROTACs具有更高的結構復雜性，并且包含額外的潛在風險。
結論與展望
將PROTAC技術整合到抗菌藥物發現中為解決日益嚴重的抗生素耐藥性問題提供了新的方法。通過實現靶向蛋白降解，BacPROTACs擴展了治療范圍，能夠處理以前“無法用藥物處理的”細菌蛋白。它們的催化機制使得即使在低濃度下也能有效發揮作用，從而可能提高治療效果并減少脫靶效應。
寫作過程中使用生成式AI和AI輔助技術的聲明
在撰寫本文期間，作者使用了ChatGPT（OpenAI）和Grammarly來改進語言和語法。使用這些工具后，作者對內容進行了必要的審查和編輯，并對發表文章的內容負全責。
CRediT作者貢獻聲明
Deepthi Ramesh：概念構建、數據整理、數據分析、項目管理、初稿撰寫、審稿與編輯。
Ahammed Ameen Thottasseri：數據整理、數據分析、初稿撰寫、審稿與編輯。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
DR感謝加利福尼亞大學提供科學期刊的訪問權限。AAT感謝印度彭迪切里大學提供科學期刊的訪問權限。作者感謝Balaji Gowrivel Vijayakumar在制作本文圖表方面提供的幫助。
