分子胶水
分子胶水（Molecular Glue）
1. 概览
分子胶水是一类能够诱导或稳定两个或多个蛋白质之间相互作用的小分子化合物。与传统的竞争性抑制剂或激动剂不同，它们的作用机制是通过同时结合两个原本不相互作用或相互作用很弱的蛋白，将其“粘合”在一起，从而创造出新的功能性复合物，或显著增强已有的微弱相互作用。这种独特的机制使分子胶水成为靶向“不可成药”靶点、调控蛋白-蛋白相互作用和开发新型治疗药物的强大工具。
2. 作用机制与分类
根据其作用的蛋白对类型，分子胶水主要分为两大类，其作用机制截然不同。
| 类别 | 作用机制 | 典型例子 | 核心特点 |
|---|---|---|---|
| 分子胶水降解剂 | 诱导靶蛋白与E3泛素连接酶之间的接近，导致靶蛋白被泛素化并随后被蛋白酶体降解。 | 沙利度胺及其衍生物（来那度胺、泊马度胺）、CRBN/DDB1配体等。 | 事件驱动型药理学：不抑制靶蛋白功能，而是直接将其清除，作用持久且可靶向支架蛋白等传统难以抑制的靶点。 |
| 分子胶水稳定剂/增强剂 | 稳定或增强两个蛋白（通常都是具有生理功能的蛋白）之间的相互作用，从而调控其功能（如激活、抑制、改变定位等）。 | 环孢素A/FK506（稳定其与亲免蛋白及钙调磷酸酶的复合物）、某些双特异性抗体（可作为大分子胶水）。 | 功能调控型：通过增强天然相互作用来调节信号通路、酶活性或转录过程。 |
3. 代表性分子胶水及其应用
3.1 分子胶水降解剂（以CRBN为例）
这是目前最受关注、成药性最成功的领域。免疫调节药物是其经典代表。
| 小分子 | 作用模式图（示意） | 诱导形成的三元复合物 | 被降解的靶蛋白（举例） | 主要临床应用/意义 |
|---|---|---|---|---|
| 沙利度胺 | 小分子 + CRBN + Ikaros/Aiolos 等转录因子 | CRL4<sup>CRBN</sup> • 沙利度胺 • 靶蛋白 | IKZF1、IKZF3（锌指转录因子） | 治疗多发性骨髓瘤、骨髓增生异常综合征。其致畸性也源于降解SALL4等发育关键蛋白。 |
| 来那度胺 | 同上，但对CRBN的结合和靶向选择性更优 | 同上 | IKZF1、IKZF3、CK1α等 | MM、MDS、套细胞淋巴瘤的一线/二线药物。 |
| 泊马度胺 | 同上，活性更强，能克服部分耐药 | 同上 | IKZF1、IKZF3等 | 用于复发/难治性MM。 |
工作机制：这些IMiDs结合到E3连接酶CRBN的底物受体口袋上，改变了CRBN的表面，形成了一个新的“分子界面”，这个界面能够特异性识别并结合原本不是CRBN天然底物的蛋白（如IKZF1/3），并将其拉近进行泛素化标记。
3.2 其他分子胶水降解剂
| 小分子/E3配体 | 利用的E3连接酶 | 靶蛋白举例 | 开发阶段/意义 |
|---|---|---|---|
| ARV-110、ARV-471 | VHL | 雄激素受体、雌激素受体 | 临床阶段PROTAC药物（可视为双功能分子胶水降解剂，但其连接子较长）。 |
| DCAF15配体（如Indisulam） | CRL4<sup>DCAF15</sup> | RBM39（RNA剪接因子） | 临床研究，展示了除CRBN/VHL外其他E3的可配体化潜力。 |
3.3 分子胶水稳定剂
| 小分子 | 稳定/增强的蛋白对 | 作用机制与功能 | 临床应用 |
|---|---|---|---|
| 环孢素A | 亲环蛋白A + 钙调磷酸酶 | 形成复合物后，抑制钙调磷酸酶的磷酸酶活性，从而抑制T细胞活化的关键信号通路。 | 免疫抑制剂，用于器官移植抗排异。 |
| FK506 | FKBP12 + 钙调磷酸酶 | 与CsA类似，但利用不同的亲免蛋白。 | 免疫抑制剂。 |
| 雷帕霉素 | FKBP12 + mTOR | 形成复合物后，抑制mTOR的激酶活性，阻断细胞生长和增殖信号。 | 免疫抑制剂、mTOR抑制剂（用于癌症、结节性硬化症等）。 |
4. 分子胶水 vs. 双功能降解剂
分子胶水降解剂与蛋白水解靶向嵌合体都是诱导蛋白降解的策略，但设计逻辑和性质不同。
| 特性 | 分子胶水降解剂 | PROTAC |
|---|---|---|
| 分子大小 | 较小（通常 < 500 Da），类药性好。 | 较大（700-1000 Da），可能面临口服生物利用度和细胞渗透性挑战。 |
| 设计原理 | 单药效团，依赖其自身结合诱导E3表面产生新的“ neo-pocket ”来招募靶蛋白。 | 双药效团，通过一个化学连接子将靶蛋白配体和E3配体共价连接。 |
| 发现方式 | 更多通过表型筛选或偶然发现（如沙利度胺），理性设计难度大。 | 理性设计为主，可根据已知的配体进行模块化组装。 |
| E3泛素连接酶 | 主要利用CRBN、DCAF15等少数已被验证的“可胶水化”E3。 | 理论上可利用任何已知配体的E3（如VHL, CRBN, IAPs等），选择更广。 |
| 靶点范围 | 高度依赖于E3的“可塑性”，可能更擅长靶向与E3有天然弱相互作用的蛋白。 | 理论上可靶向任何具有可结合配体的蛋白，范围极广。 |
5. 发现与设计策略
寻找新的分子胶水极具挑战性，但方法学在不断发展。
| 策略 | 描述 | 优点与局限 |
|---|---|---|
| 表型筛选 | 在细胞或动物模型中筛选具有特定表型（如抗癌、抗炎）的小分子，随后通过化学生物学手段鉴定其作用机制为分子胶水。 | 可发现全新机制，不依赖于已知靶点。但脱靶风险高，机制解析困难。 |
| 基于结构的理性设计 | 分析E3连接酶（如CRBN）与已知分子胶水的复合物结构，针对其诱导产生的新界面进行优化或设计新配体。 | 目标明确，但要求对三元复合物结构有深刻理解，且成功率依赖E3的可塑性。 |
| 蛋白质组学方法 | 使用化学蛋白质组学（如基于活性的蛋白质分析）或亲和纯化质谱技术，系统性地寻找能诱导特定E3与新型靶蛋白结合的小分子。 | 高通量，可系统性地发现新的分子胶水-E3-靶蛋白三元组合。 |
| 片段筛选与优化 | 筛选能与E3结合但本身不诱导降解的片段，然后通过化学优化使其获得招募靶蛋白的能力。 | 从弱结合片段出发，有望开发出全新的分子胶水。 |
6. 优势与挑战
6.1 独特优势
靶向“不可成药”靶点：可降解缺乏典型活性口袋的支架蛋白、转录因子等。
高选择性：依赖于三元复合物的精确空间匹配，可能实现高选择性。
事件驱动，作用持久：降解事件发生后，药物可循环利用，且效应可持续到新蛋白合成。
克服耐药：可降解因突变或过表达而耐药的靶蛋白。
清除致病蛋白：直接根除致病蛋白，而非抑制其功能。
6.2 主要挑战
理性设计困难：预测小分子如何诱导产生新的蛋白-蛋白界面极其复杂。
有限的E3工具箱：目前仅有少数E3被成功用于分子胶水降解剂。
脱靶毒性风险：可能降解非预期蛋白（如沙利度胺致畸性）。
耐药性：靶蛋白突变、E3连接酶表达下调或突变可能导致耐药。
“胶水”特性难以预测：小分子的分子胶水属性通常是在发现后才被认识，难以预先设计。
7. 未来展望与应用前景
扩大E3连接酶工具箱：发现和验证更多可被小分子“胶水化”的E3连接酶。
针对新型靶点：应用于神经退行性疾病（清除tau、α-突触核蛋白聚集体）、自身免疫病、感染性疾病（靶向病毒蛋白）等。
联合疗法：与其它靶向疗法、免疫疗法联合使用，增强疗效。
人工智能与计算辅助设计：利用机器学习预测三元复合物结构和小分子的“胶水性”，加速理性设计。
调控非降解功能：开发更多用于稳定或增强天然PPI的分子胶水，以精细调控信号通路。
总结，分子胶水代表了一种颠覆性的小分子药物作用范式。它将小分子从传统的“占据驱动”的抑制剂，转变为“事件驱动”的蛋白相互作用调控器或蛋白清除诱导器。尽管面临理性设计的巨大挑战，但以沙利度胺衍生物为代表的成功案例，以及正在蓬勃发展的PROTAC领域（可视为其延伸），都预示着分子胶水在未来药物发现中拥有极其广阔的前景，有望为治疗众多难治性疾病开辟全新的道路。
参考文献
Ito, T., Ando, H., Suzuki, T., et al. (2010). Identification of a primary target of thalidomide teratogenicity. Science, 327(5971), 1345-1350. （阐明沙利度胺通过CRBN发挥作用的里程碑论文）
Winter, G. E., Buckley, D. L., Paulk, J., et al. (2015). Phthalimide conjugation as a strategy for in vivo target protein degradation. Science, 348(6241), 1376-1381. （拓展了分子胶水降解剂的概念）
Bondeson, D. P., Mares, A., Smith, I. E., et al. (2015). Catalytic in vivo protein knockdown by small-molecule PROTACs. Nature Chemical Biology, 11(8), 611-617. （PROTAC的重要概念验证）
Schreiber, S. L. (2021). The Rise of Molecular Glues. Cell, 184(1), 3-9. （对分子胶水领域的精辟综述与展望）
Mullard, A. (2021). Targeted protein degraders crowd into the clinic. Nature Reviews Drug Discovery, 20(4), 247-250. （概述了包括分子胶水在内的蛋白降解疗法临床进展）
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