生活中我们会为丢掉以前购买那些不再需要的东西感到可惜，但是只有抛弃掉不再需要的物件，腾出新的空间，才有机会容纳新的东西。

细胞也是这样。

细胞的生存过程中需要不断的合成蛋白，就像我们不断的接收快递包裹一样。不同的蛋白执行不同的功能，而这些功能并不一定是细胞每时每刻都需要的，有时这些蛋白仅需要存在很短的一段时间就能够完成其担负的功能，然后就不再被需要。这些功能的蛋白依旧保持着对应的生物活性，有时他们因此成为了影响细胞功能的阻碍。

还好，细胞自己有着垃圾清理系统来清理这些不再需要的蛋白。在我们的细胞中存在一个叫做溶酶体的细胞器，它像是细胞内的垃圾桶，带有KFERQ信号特征的细胞内蛋白或是胞吞作用摄入的外源蛋白将会被运输到这里，在酸性环境和蛋白酶的作用下被降解。

细胞还有自己的“扫地机器人”——泛素-蛋白水解酶，它们能够智能识别细胞内不再需要的蛋白，并通过泛素化途径打上清理标签，最后蛋白被蛋白水解酶降解。而当细胞需要被整个清理掉时，胱天蛋白酶（caspase）就会扮演拆迁队的角色，在细胞凋亡机制启动后被激活，逐步降解细胞内的关键蛋白，最终使得细胞形成凋亡小体被吞噬细胞消化。

当细胞无法正常工作时，会产生一部分多余甚至错误的蛋白，这些蛋白又无法及时被降解，这样最终会影响细胞乃至组织的正常运转。一部分的癌症以及阿兹海默症，都是因为错误的蛋白聚集导致的疾病。

将错误的蛋白直接拖进“垃圾桶”溶酶体并不是合适的办法，因为被降解的蛋白需要先被标记，而细胞并不认为这些蛋白是多余的，因此也不会主动的标记它；而因为一部分的杂物需要清理就叫来整个拆迁队也是不合理的，我们只是希望清理房间而不是拆掉房间，caspase途径因此不适合。

基于“标记-清理”功能的泛素-蛋白水解酶系统（UPS）开发的PROTAC系统，能够作为一个可编程的扫地机器人，再被递送至细胞内后，特异性清除靶向蛋白，恢复细胞的正常功能。

PROTAC就像一张双面胶，连接需要降解的蛋白与泛素酶。当待降解蛋白与泛素酶连接后，待降解蛋白会被泛素酶打上“待降解”的标签，被蛋白降解系统特异性降解。插画：青柠

在UPS中，泛素激活酶E1消耗ATP活化泛素分子，再转移活化泛素到泛素结合酶E2上，在泛素连接酶E3的作用下泛素分子就像一个个标签一样与靶标蛋白连接，最后形成超过四个泛素连接的“清理标签“。当这些标记有”清理标签”的蛋白被26S蛋白酶体盖状调节颗粒识别后，靶标蛋白被运送到20S的核心中，在多种酶的作用下被消化为寡肽。

如果我们能够控制扫地机器人的“垃圾识别系统”E3泛素连接酶，那么我们就可以指导E3泛素化我们需要降解的蛋白，给它打上“需要清理”的标签，这样和泛素化降解相关的蛋白酶就能够识别到标签并降解相应蛋白，将垃圾清理干净。

这个技术，就是我们所说的PROTAC（Proteolysis-Targeting Chimeras）技术。

在设计结构上，PROTAC包含一个能够识别靶向蛋白的靶蛋白配体，一个E3泛素连接酶配体，以及将两个部分连接起来的连接体（linker）。靶蛋白配体能够像磁铁一样在环境中搜寻能够和它对应匹配的蛋白，并与之结合；PROTAC将靶蛋白与E3泛素连接酶拉近，并形成三元复合物，使得E3泛素连接酶能够定向发挥作用；E3泛素连接酶则将E2酶上已经活化的泛素分子转移到靶蛋白上，为其打上“需要清理”的标签。

接下来的事情，就交给UPS降解被泛素化标签标记的靶蛋白。

PROTAC的技术原理非常简单，但是在实际操作中，PROTAC依然有不小的技术挑战。

E3泛素连接酶并不只是一种酶，而是一个拥有超过600个成员的超级家族，每一个成员的功能也不尽相同。E3泛素连接酶作为标签机能够给蛋白打上泛素化标签，但并不是所有的泛素化标签都意味着蛋白降解，泛素化是在细胞中广泛存在的蛋白修饰过程，它同样能够激活其它的反应，我们需要的是能够打上“降解”标签的E3泛素连接酶。

另外，即使是同一种能够介导降解的E3泛素连接酶，在人体的不同组织和细胞中的表达与活性也不同。这就好比打上一个“cleanit”的标签，只会中文的清洁工就不太能看明白了。

特异性降解细胞内或细胞环境中不需要甚至有害的蛋白，让机体重新“整洁”起来。插画：青柠

连接靶蛋白配体和E3链接酶配体的连接体也是在PROTAC药物设计中的重要考量。理论上来说，连接体并不会参与任何反应，但是却会影响反应的进行。如果连接体过长，那么即使靶蛋白配体能够与靶蛋白结合，E3泛素连接酶也会因为距离原因无法将泛素分子转移到靶向分子中，而两个蛋白如果靠的太近，会因为过近的距离影响两个蛋白发挥作用。

得益于生物信息学的发展，靶蛋白配体的选择则相对更加成熟。我们不再需要通过一个个去尝试小分子与蛋白质的相互作用，而是可以使用DOCK这样的分子对接模拟软件模拟小分子与靶点蛋白的对接。利用对蛋白结构分析与打分函数的计算，就可以得到一批最具有结合可能性的靶蛋白配体分子，这样就能够避免从海底里找到一根针，而是在一篇小小的地毯里筛选出我们需要的分子。

相比于大分子药物，PROTAC的分子量更小，能够更高效的递送到目标环境中，乃至突破血脑屏障等大分子药物难以达到的部位并发挥作用。相比于小分子药物，PROTAC的药物设计更加灵活，对蛋白质特异性高且能一定程度容忍靶蛋白突变，作用时间也更加持久。

PROTAC利用细胞自身蛋白降解通路的优势，极大的降低了药物作用的复杂性并提高药物安全性。目前，Arvinas领衔的PROTAC药物研发已对雄激素受体相关的癌症等病症发起了攻坚，对于困扰医学很久的帕金森、阿兹海默等疾病，也看到了新药的曙光。

参考资料：

1. 蛋白质经泛素-蛋白酶体降解研究基本思路（图文详解）. 医学科研小坑. 知乎.https://zhuanlan.zhihu.com/p/265511651

2. Paiva, Stacey-Lynn, and Craig M Crews. “Targeted protein degradation: elements of PROTAC design.” *Current opinion in chemicalbiology* vol. 50 (2019): 111-119. doi:10.1016/j.cbpa.2019.02.022

3. 怎么根据靶点蛋白质的结构设计药物？HomesickAlien. 知乎. https://www.zhihu.com/question/32089386/answer/70916776

4.一篇文章带你了解泛素化.优宁维生物. 知乎.https://zhuanlan.zhihu.com/p/403445056

5. Yelin I, Aharony N, Tamar ES, Argoetti A, Messer E, Berenbaum D, Shafran E, Kuzli A, Gandali N, Shkedi O, Hashimshony T, Mandel-Gutfreund Y, Halberthal M, Geffen Y, Szwarcwort-Cohen M, Kishony R. Evaluation of COVID-19 RT-qPCR Test in Multi sample Pools. Clin Infect Dis. 2020 Nov 19;71(16):2073-2078. doi: 10.1093/cid/ciaa531. PMID: 32358960; PMCID: PMC7197588.

6. PROTAC技术. 卷毛哥的奇迹. 知乎. https://zhuanlan.zhihu.com/p/360927217