기존 저분자(small molecular) 화합물에서 ADC를 잇는 새로운 접근 방식으로 TPD(Target Protein Binding)가 급부상하고 있습니다.
하지만 저분자 화합물에 비해 복잡한 구조로 인해 합성 과정도 까다로운 부분이 있습니다. TPD 시스템 중 하나인 프로탁(teolysis Targeting Chimeras(PROTACs)은 관심 단백질에 대한 리간드와 E3-유비퀴틴 리가아제 리간드로를 링커가 결합하는 방식으로 구성되어 있습니다.
두 개의 리간드 이외에도 링커의 종류와 길이 그리고 링커가 결합하는 위치에 따라 PROTAC 화합물의 물리 화학적 특성에 결정적인 영향을 줄 수 있습니다.
PROTAC 설계 및 합성
Protein degrader(단백질 분해제)는 E3 리가제 리간드, 링커 및 POI 리간드의 세 가지 구성 요소를 활용하여 모듈식 공정으로 설계할 수 있습니다.
600개 이상의 E3 리가아제가 인간 세포에서 기능하는 것으로 알려져 있지만, 현재 PROTAC 개발을 위해 사용되는 것은 소수(VHL(von Hippel-Lindau), CRBN(cereblon), IAP)에 불과합니다. 이는 주로 이러한 E3 연결효소에 대한 약물과 유사하고 강력한 소분자 리간드의 가용성이 부족하기 때문입니다.
이러한 큰 고리형 E3 연결효소는 광범위한 POI 표적의 ternary complex formatin(삼원 복합체) 및 궁극적으로 분해를 촉진하는 수준의 구조적 가소성을 나타냅니다. 중요한 점은 링커가 붙는 위치입니다. POI 및 E3 ligase의 어느 위치에 붙는지를 말합니다.
POI와 E3 연결효소 모두에 대한 binding affinity가 손실되어서는 안 되기 때문입니다.
적절한 POI 리간드 exit vector 위치가 확인되면 링커가 POI 또는 E3 리간드에 결합되며, 일반적으로 확립된 amide coupling, click chemistry, nucleophilic substitution, reductive amination 반응을 사용합니다.
일반적으로 초기 개념 증명을 위해, 최적의 링커 길이를 결정하기 위해 두 리간드 사이에 간단한 알킬 및 PEG 링커가 사용됩니다. 이후의 최적화 라운드는 종종 디그라퍼 PK/PD 특성을 개선하기 위해 Rigid한 링커를 찾는데 초점을 맞춥니다.
적절한 affinity를 갖는 표적 단백질과 결합하는 POI 리간드를 발견하는 것은 PROTACs의 단백질 분해 활성을 향상시키는 데 필수적입니다. 또한 링커의 길이와 구조를 최적화하면 두 리간드를 적절한 거리로 분리하여 효율적인 ubiquitination이 보장됩니다. POI 리간드 및 링커의 지속적인 발견 및 최적화와 대조적으로, PROTAC에 일반적으로 사용되는 E3 리간드 및 탈리도마이드형 리간드(예: Thalidomide-type ligand)는 소수에 불과합니다. 포말리도마이드)는 다른 E3 리간드에 비해 분자량이 작고 합성이 용이하기 때문에 PROTAC 개발에 더 널리 사용되는 화합물 중 하나입니다. 따라서 POI 리간드 및 링커에 대한 스크리닝이 먼저 이루어집니다. 그러나 이러한 화합물들은 극성이 강한 반면 포말리도마이드는 극성이 상대적으로 낮아 액상 합성 시 다루기가 어려운 부분도 있습니다. 또한 PROTACs는 생물학적 실험에 사용되기 때문에 합성 후 고순도로 분리되어야 합니다. 이는 PROTACs의 개발을 지연시키는 요인 중 일부입니다.
마무리
TPD 개발과 PROTAC 설계 과정에서 많은 시간이 소요되는 부분 중 하나는 유도체 합성 및 스크리닝입니다. 합성은 다양한 길이의 PEG 및 알킬 링커를 가진 화합물을 생성하기 위해 다양한 루트로 수행될 수 있으며 이후 세포 분석을 사용하여 평가되어 표적 단백질의 분해를 촉진할 최적 길이를 결정할 수 있습니다. PROTAC 개발 프로젝트의 초기 단계에서 탐색해야 할 변수가 너무 많기 때문에 합성 화학 자원 요구 사항은 상당합니다.