综述：靶向阿尔茨海默病的蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）

《Discover Neuroscience》：Proteolysis targeting chimeras (PROTAC) for targeting Alzheimer’s disease

　　

阿尔茨海默病（AD）日益被认为是一种蛋白稳态失调性疾病，其特征是泛素-蛋白酶体系统（UPS）与自噬-溶酶体通路长期功能受损，导致tau、Aβ等致病蛋白累积并驱动神经退行性变。在此背景下，蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）提供了一种机制独特、事件驱动的策略，通过募集E3连接酶催化清除疾病相关蛋白，将可成药空间从经典酶活性位点扩展至tau、糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）及PI3K/AKT/mTOR信号节点。临床前研究显示，包括tau降解剂C004019在内的分子可在AD小鼠模型中实现持续约50%的tau降低，并伴随突触与认知功能改善，验证了靶向蛋白降解在体内重建神经元蛋白稳态的可行性。本综述整合了PROTAC在AD领域的机制与体内数据，梳理了不断演化的专利与创新格局，并批判性分析了尚未解决的障碍，包括分子量过高、血脑屏障（BBB）穿透能力不足、蛋白酶体功能异常及脱靶风险。研究人员进一步提出了未来设计原则与转化策略，涵盖脑选择性E3连接酶、长效及纳米技术赋能的递送平台、与自噬调节剂或免疫疗法的合理联用，以及分阶段部署方案，以期推动PROTAC从实验工具转化为真正具有疾病修饰作用的AD疗法。

1 引言

阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆类型，占所有病例的60%–80%，尽管其他重大疾病的管理不断进步，其死亡率仍持续上升。AD的经典病理标志包括淀粉样β（Aβ）斑块沉积、tau过度磷酸化及进行性突触与神经元丢失，但这些特征日益被认为是细胞稳态广泛破坏的下游表现，而非孤立的疾病驱动因素。蛋白稳态（proteostasis）是维持蛋白质完整性的高度协调网络，整合分子伴侣、内质网相关降解（ERAD）、泛素-蛋白酶体系统（UPS）及自噬-溶酶体通路，实现持续的蛋白质质量控制。神经元中这些通路并非独立模块，而是通过泛素化、应激信号及mTOR等调控节点动态决定底物命运与降解途径，这种系统级整合对再生能力有限的脑组织生存至关重要。AD中，这一精密调控的蛋白稳态网络发生进行性衰竭：分子伴侣系统不足以应对错误折叠蛋白负荷，内质网应激与未适应的未折叠蛋白反应（UPR）信号扰乱蛋白质加工，UPS与自噬通路双重损伤导致聚集倾向性及突触蛋白清除减少。重要的是，这种功能障碍不仅限于Aβ与tau，还波及更广泛的调控蛋白，提示AD本质上是蛋白质质量控制系统的疾病。现有治疗策略仍以对症为主，胆碱酯酶抑制剂与NMDA受体拮抗剂仅能提供有限的认知获益，无法阻止神经退行性变。早期针对Aβ的干预临床获益有限，越来越多的证据将tau病理与蛋白稳态失衡更紧密地联系到疾病进展中。传统小分子抑制剂难以作用于缺乏明确结合口袋的“不可成药”靶点，这一局限推动了靶向蛋白降解（TPD）策略的发展。在多种TPD技术中，蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）通过募集UPS中的E3连接酶，诱导目标蛋白选择性泛素化并经26S蛋白酶体降解，以事件驱动与催化模式实现持续靶蛋白清除，在纠正AD关键分子驱动因素及改善认知结局方面具有显著潜力。

2 PROTAC的历史发展

PROTAC研究虽属新兴领域，但进展迅速。靶向蛋白降解的早期阶段始于2001年Sakamoto团队的研究，首次利用PROTAC将合成泛素连接酶复合物Skp1–Cullin–F定向至目标蛋白。此后该领域从肽类降解剂快速发展为全合成小分子，通过拉近连接酶与目标蛋白距离促使其降解。2008年Crews团队开发出首个可降解雄激素受体的小分子PROTAC；2013年Crews教授创立Arvinas公司推进PROTAC抗癌药物研发；2019年首个进入临床试验的PROTAC药物ARV-110用于治疗前列腺癌，通过靶向雄激素受体并与CRL4-CRBN连接酶复合物协作发挥作用。代表性分子ARV-471已进入III期临床试验，显示出良好的口服药代动力学与有效蛋白降解能力。截至2025年年中，已有三款PROTAC药物进入美国FDA III期试验，分别为vepdegestrant（ARV-471）、catadegbrutinib（BGB-16673）与gridegalutamide（BMS-986365），分别靶向雌激素受体（ER）、布鲁顿酪氨酸激酶（BTK）与雄激素受体（AR）。从2019年首款PROTAC进入临床到2025年提交上市申请仅历时六年，凸显了该技术的巨大潜力与产业支持。

2.1 PROTAC技术

PROTAC是异双功能小分子，设计为利用UPS实现靶向蛋白破坏。每个PROTAC由通过化学连接子连接的两个活性配体组成：一个结合目标蛋白（POI），另一个募集E3泛素连接酶。通过将E3与POI拉近，PROTAC促进目标蛋白泛素化并经蛋白酶体降解。机制上，PROTAC桥接E3连接酶与POI形成三元复合物，促使泛素标记目标蛋白。一旦被多聚泛素化，POI即被细胞内26S蛋白酶体识别并降解，而PROTAC本身被释放并循环使用。高效降解高度依赖POI-PROTAC-E3连接酶复合物的稳定性。PROTAC采用与传统抑制剂的化学计量、占位驱动模式不同的催化药理学：通过促进POI与特定E3连接酶（如CRBN、von Hippel-Lindau [VHL]、IAPs或MDM2）形成三元复合物，利用E2-E3酶级联将泛素基团转移至POI，标记为后续经蛋白酶体清除。PROTAC无需抑制蛋白固有功能或竞争其活性结合位点，仅依靠劫持泛素化通路即可发挥作用。由于其催化特性，即便在低纳摩尔浓度下也具备高效活性。尽管分子量较大，但其多轮降解循环能力使其在细胞内维持足够活性。PROTAC的药理活性通常用降解相关参数评估，包括DC₅₀（降解浓度50，即诱导50%靶蛋白降解所需的PROTAC浓度）与D_max（最大降解率，即特定实验条件下可实现的最大靶蛋白降解百分比）。PROTAC的核心原理是利用理性设计的合成分子将细胞泛素连接酶重定向至特定致病蛋白，通过可控泛素化实现清除，除AD外也在癌症、自身免疫病、病毒感染及其他蛋白错误折叠疾病中被积极探索。

2.2 PROTAC药理学中的“钩状效应”

钩状效应是许多PROTAC分子中常见的药理现象，导致钟形剂量-反应曲线。在最佳浓度下，PROTAC同时结合目标蛋白与E3泛素连接酶，形成有效的三元复合物（E3–PROTAC–target），驱动泛素化与随后的蛋白酶体降解。但在高浓度下，目标蛋白与E3连接酶可能均被独立饱和，促进非生产性二元复合物（PROTAC-POI或PROTAC-E3）形成，而非所需的三元复合物，导致目标泛素化与降解减弱，药理学活性下降。这种高浓度下活性降低的现象构成了特征性的钟形（钩状）剂量-反应关系。钩状效应被视为PROTAC系统的固有属性，因为高效蛋白降解需要在二元与三元复合物形成之间保持微妙平衡，过高的PROTAC水平会破坏这一平衡并损害生产性复合物组装。从药理学角度看，这对剂量优化具有重要意义：高全身暴露可能反而降低靶蛋白降解，而较低或中等浓度可能产生最大降解效率。因此，确定最佳给药窗口在PROTAC开发中至关重要。该现象也使药代动力学-药效学（PK-PD）建模与毒理学评价复杂化，因为临床前安全性研究中使用的较高剂量可能因钩状效应低估潜在药理作用。缓解策略包括设计可促进三元复合物内更强或协同蛋白-蛋白相互作用的PROTAC，从而在高浓度下仍能维持生产性复合物形成。

3 泛素-蛋白酶体系统在AD中的作用

UPS与自噬-溶酶体系统是维持细胞健康与蛋白平衡（蛋白稳态）的两大核心通路，共同负责细胞内超过80%的蛋白质降解，并清除受损细胞器。UPS通过特异性组分发挥作用：分子标签泛素（Ub）、激活酶（E1）、结合酶（E2）、识别靶点的蛋白连接酶（E3）、作为处理装置的蛋白酶体及目标蛋白本身。UPS介导的蛋白标记通过E1、E2、E3三步酶促通路完成，泛素共价连接到底物蛋白的赖氨酸残基上，形成单泛素与多泛素链。在不同多泛素拓扑结构中，K48连接的链是典型的降解信号，被蛋白酶体泛素受体选择性识别，将错误折叠、受损或短寿命调控蛋白靶向26S蛋白酶体进行ATP依赖性降解与氨基酸回收。神经元中，K48多泛素化对突触受体与信号分子的周转及在聚集体成核前清除蛋白毒性物种至关重要。相比之下，K63连接的多泛素链属于典型的非降解信号，主要调控内吞与内溶酶体运输、炎症级联中的激酶复合物组装，并作为自噬受体（如p62/SQSTM1与NBR1）的停靠平台，将泛素化货物偶联至自噬-溶酶体通路而非蛋白酶体。由此，K48与K63连接将底物分配至蛋白酶体降解与非降解命运（包括聚集体的自噬清除及应激信号调控）。混合或分支的K48/K63链可整合这些信号，增强对初始以K63标记的底物的蛋白酶体识别，增加了对蛋白命运与蛋白稳态的控制层级。泛素本身是高度保守的76氨基酸蛋白，其形成不同连接类型（包括K48、K63及各种混合或分支结构）的能力构成多功能“泛素密码”，精细调控蛋白稳定性、定位与互作网络。这一持续的泛素依赖性蛋白标记、链型编辑、降解与新合成过程对脑健康不可或缺，保障神经元的突触适应性与记忆形成。神经退行性疾病中蛋白聚集体的堆积通常不是由于产生过多，而是“垃圾处理”缺陷：UPS乃至更广泛的泛素-蛋白酶体-自噬网络受损，无法清除毒性物种。AD中这种功能障碍导致含Aβ、tau及其他客户蛋白的泛素阳性沉积物积累，表明细胞的清理机制——尤其是K48连接的降解性泛素化及其与K63连接的自噬途径的协调——已受损，而不仅仅是这些蛋白产生过多。因此，一个关键治疗目标是增强UPS能力与调控，并协调其与自噬通路的配合，以改善有害聚集体的清除。明确AD神经元内泛素链拓扑结构与UPS功能的具体改变，对合理设计新型蛋白稳态靶向治疗（包括刻意安装富含K48链的PROTAC）至关重要，同时尽量减少对K63依赖性信号的不必要干扰。泛素信号受E3泛素连接酶与去泛素化酶（DUB）的动态调控，二者活性改变已在AD脑中报道，导致蛋白酶体功能受损、K48连接缀合物过度积累及泛素化聚集体清除缺陷，进一步破坏神经元蛋白稳态。这对靶向蛋白降解策略直接相关，因为PROTAC的效力依赖于E3与DUB的可用性与适当调控。AD中UPS损伤（尤其是蛋白酶体活性受损与E3/DUB失衡）对PROTAC疗效构成重大挑战，因为泛素化底物可能在26S蛋白酶体有效降解缺失的情况下积累。然而，这一功能障碍也为PROTAC提供了强有力依据：通过强行募集E3连接酶在Aβ或tau上安装K48连接链，可绕过内源性泛素化缺陷，即使在部分受损系统中也有望恢复蛋白稳态。当前研究强调将PROTAC与蛋白酶体激活剂（如通过NRF1或PKA通路）联用以克服这些限制，这是AD治疗中尚未解决但极具前景的方向。

4 自噬-溶酶体通路在AD中的作用

自噬是基本的细胞质量控制机制，允许降解与回收老化、功能失调的生物分子或受损蛋白、核酸、细胞器乃至整个细胞。这一保护通路受多种生理与病理刺激调控，对维持蛋白稳态至关重要。UPS通常处理单个短寿命蛋白的处置，而自噬是细胞清除更大尺度物质（包括大型蛋白聚集体与整个受损细胞器）的解决方案，后者在溶酶体中分解。自噬主要包括三种类型：微自噬、分子伴侣介导的自噬（CMA）与大自噬（macroautophagy）。大自噬将胞质货物包裹进双层膜自噬体，再与溶酶体融合并进行批量降解。在AD中，大自噬清除Aβ肽、APP片段与tau聚集体，其激活在神经元模型中显示神经保护作用；功能受损则加剧淀粉样生成与神经元死亡，并在CMA失效时充当代偿备份。微自噬通过溶酶体或内体膜直接内陷吞噬少量胞质成分，通常为非特异性。其在AD中的相关性低于大自噬或CMA，但内体微自噬（e-MI）可降解野生型tau变异体；致病型tau形式对其抵抗，促进神经原纤维缠结（NFT）形成，并可能在CMA缺陷状态下将未降解tau重新导向胞外释放。CMA通过Hsc70分子伴侣识别含有KFERQ样基序的蛋白，将其直接跨溶酶体膜转运，依赖LAMP2A完成。AD中，CMA可直接降解可溶性tau，但致病性、磷酸化或乙酰化tau变异体通过阻断LAMP2A转运抑制CMA，导致tau堆积与NFT形成。CMA对tau的选择性使其成为AD治疗的优先靶点，不同于大自噬的广谱作用或微自噬的次要贡献。恢复CMA（如通过LAMP2A增强剂）有望阻止tau传播，而大自噬诱导剂（如雷帕霉素）可提供辅助获益，但存在脱靶风险。自噬通路可分为四个主要步骤：起始、自噬体形成、通过与溶酶体融合成熟、底物降解，每一步均由自噬相关（ATG）蛋白网络严密调控。除了内源性过程，新兴的靶向降解策略（如自噬体拴系化合物 [ATTEC]、自噬靶向嵌合体 [AUTAC] 与溶酶体靶向嵌合体 [LYTAC]）也被开发用于将特定底物选择性导向溶酶体降解通路。溶酶体是酸性细胞器，代表内溶酶体系统的终末区室，对神经元蛋白稳态至关重要，负责降解通过内吞与自噬途径递送的蛋白、脂质与受损细胞器。AD中，早期内体扩大、溶酶体酸化受损及内溶酶体运输缺陷是最早的病理变化之一，导致Aβ产生增加与APP C端片段及Aβ肽清除减少。因此，溶酶体功能障碍不仅限制自噬货物的降解，还直接放大淀粉样APP加工，将内溶酶体病理与易损神经元的全局蛋白稳态衰竭联系起来。AD中自噬调控异常是主要病理特征，常导致神经元内异常蛋白积累。Aβ代谢尤其依赖生成与清除的平衡，自噬在其中发挥关键作用。自噬受损减少Aβ降解，甚至通过上调β-与γ-分泌酶活性增加其生成，加速斑块沉积与神经元损伤。同样，tau病理与自噬功能障碍密切相关：自噬缺陷导致tau积累，而自噬活性增强促进tau清除并减少聚集。因此，靶向自噬是AD中极具前景的治疗方向，有望减轻毒性蛋白堆积、保护神经元完整性并延缓疾病进展。

5 AD中功能失调的靶蛋白

5.1 缺氧/HIF1α信号

缺氧指氧供应不足，显著影响细胞生理与病理功能。常氧条件下，脯氨酰羟化酶作为氧传感器催化缺氧诱导因子1α（HIF1α）羟基化。一旦羟基化，HIF1α立即被VHL E3连接酶识别并标记为破坏对象，经UPS快速降解。相反，缺氧或VHL缺陷细胞中该过程被破坏，导致HIF1α积累，与HIF1β二聚化并激活多个下游基因转录。此外，组蛋白H2AX磷酸化通过在缺氧期间抑制HIF1α降解促进其稳定。脑内氧供应不足（缺氧）是AD发生与进展的关键因素。中枢神经系统高度依赖氧，年龄相关的心血管功能衰退加剧缺氧应激。实验证据表明，缺氧加速AD小鼠模型中淀粉样斑块堆积并诱导认知障碍。缺氧驱动的AD病理涉及多条信号级联，包括氧化应激反应、血管生成、AKT/mTOR激活及细胞代谢改变。缺氧还增强早老素1（PS1）、环氧合酶-2（COX-2）与Aβ的出现，促进神经炎症。长时间缺氧上调Ca²⁺通道，进一步刺激Aβ生成。重要的是，HIF1α直接调控血管内皮生长因子（VEGF）与BACE1转录，二者分别是血管生成与淀粉样生成的关键介质，从而在AD模型中加剧Aβ积累与斑块形成。此外，HIF1α通过调控GSK3β、CDK5与mTOR等关键通路促进tau过度磷酸化。AD脑中还观察到HIF1α靶基因葡萄糖转运蛋白Glut3与Glut1的调控异常，进一步加重神经元功能障碍。2004年，研究人员引入可通过募集VHL靶向HIF1α的肽类PROTAC，为增强细胞摄取，这些构建体加入了多聚D-精氨酸序列。随后开发的小分子可抑制HIF1α–VHL相互作用，使得设计能够高特异性募集VHL至多种目标蛋白的PROTAC成为可能。鉴于衰老促进缺氧与HIF1α失调并参与AD发病，选择性蛋白降解策略（如PROTAC）在恢复神经元稳态方面具有重大治疗潜力。

5.2 PI3K/mTOR信号

磷酸肌醇3-激酶（PI3K）是PI3K/AKT/mTOR通路的核心组分，作为磷脂酰肌醇激酶调控细胞增殖、分化与凋亡。PI3K异常激活或过表达与肿瘤发生密切相关。该通路下游的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）整合胞外信号以调控细胞生长、代谢与稳态。mTOR信号失调与癌症、糖尿病及神经退行性疾病相关。值得注意的是，抑制mTOR可延长秀丽隐杆线虫与小鼠等模式生物的寿命，雷帕霉素作为一种选择性mTOR抑制剂也具有延寿作用。机制上，mTOR通过调控GSK3、CDK5与蛋白激酶A等激酶促进tau磷酸化，从而参与tau病理。此外，mTOR抑制蛋白磷酸酶2A（PP2A）——AD中主要降低的磷酸酶之一——进一步加剧tau过度磷酸化。mTOR下游效应因子（包括真核翻译因子4E [eIF4E] 与S6激酶 [S6K]）升高tau mRNA翻译，导致tau过度积累。有趣的是，直接向健康小鼠海马注射Aβ可激活mTOR信号通路，凸显淀粉样前体蛋白（APP）在该通路中的参与。重要的是，雷帕霉素已被报道可通过抑制Aβ负荷减轻AD模型中的认知障碍与tau病理。综上，这些发现提示异常mTOR活性破坏tau稳态、促进NFT形成并参与AD发病，使mTOR抑制成为极具前景的治疗方向。近期开发的新型PI3K抑制剂多因选择性差与明显副作用受限。为克服这些局限，基于PROTAC的策略作为选择性PI3K降解手段崭露头角。2018年，Jiang团队通过将来那度胺与PI3K抑制剂ZSTK474连接，设计出靶向PI3K的PROTAC。尽管这些降解剂相比单独ZSTK474表现出较低的酶抑制作用，但它们在10 μM浓度下有效诱导PI3K降解，并降低PI3K/AKT/mTOR通路中关键信号蛋白（包括S6K、AKT与GSK3β）的磷酸化水平。

5.3 AKT

AKT是丝氨酸/苏氨酸激酶，作为PI3K/AKT/mTOR信号通路的核心枢纽，对调控细胞存活、生长与代谢至关重要。癌症进展常由AKT异常激活驱动，通常由获得性功能突变、上游致癌通路（涉及PI3K与受体酪氨酸激酶）刺激或PTEN肿瘤抑制因子功能缺失引发。在神经退行性疾病背景下，GSK3β介导的tau磷酸化与AKT硫水化密切相关，凸显该激酶在疾病过程中的核心地位。鉴于其调控重要性，AKT已成为AD的潜在治疗靶点。2019年，研究人员通过将CRBN募集配体与已知AKT抑制剂GDC-0068连接，设计出选择性小分子PROTAC。该PROTAC降解剂INY-03-041（研究中也称为化合物17）在降解全部AKT亚型家族方面表现出优于GDC-0068的效力，其IC₅₀值分别为AKT3 3.5 nM、AKT2 6.8 nM与AKT1 2.0 nM，显著低于GDC-0068的5 nM、18 nM与8 nM。除抑制外，该PROTAC还诱导AKT亚型不稳定，抑制下游信号，并比母体抑制剂更有效地抑制细胞增殖，凸显PROTAC技术在选择性AKT降解及其在AD治疗中潜在应用的强大优势。

5.4 GSK-3β

糖原合成酶激酶-3（GSK-3）是磷酸转移酶家族成员，磷酸化丝氨酸与苏氨酸残基，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。在病理状态下，其β亚型（GSK-3β）通过驱动tau过度磷酸化与促进Aβ生成，参与AD病理，共同促成淀粉样斑块沉积与NFT形成。具体而言，GSK-3β通过多种机制促进Aβ产生：通过NF-κB信号与直接磷酸化上调β-分泌酶（BACE1）活性，增加APP初始裂解为C99片段；直接磷酸化APP Thr668与γ-分泌酶关键亚基早老素-1（PS1），促进C99最终裂解为Aβ肽；通过抑制PKC与ADAM10/17蛋白酶间接抑制非淀粉样α-分泌酶通路，将APP加工转向淀粉样生成路线。此外，GSK-3β的促炎活性加速神经元损伤与神经退行变，使其成为AD的重要治疗靶点。2021年，Jiang等利用CRBN作为募集E3泛素连接酶，开发出首个靶向GSK-3β的PROTAC，这些降解剂实现了约44%的GSK-3β蛋白降低，IC₅₀为2.8 μM，显示出其作为高效GSK-3β降解剂的潜力与治疗