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靶向SMARCA2降解的口服生物可利用VHL招募型PROTAC开发及其在SMARCA4缺陷癌症模型中的体内验证

作者及单位
本研究由Harald Weinstabl（Boehringer-Ingelheim）与William Farnaby（University of Dundee）领衔，联合多机构团队完成，发表于*Nature Communications*（2022年10月，卷13，文章编号5969）。

学术背景

科学领域
研究聚焦于靶向蛋白降解技术（Targeted Protein Degradation, TPD），特别是蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）的开发，属于化学生物学与肿瘤药理学交叉领域。

研究动机
传统抑制剂难以靶向“不可成药”靶点（undruggable targets），而PROTAC通过泛素-蛋白酶体系统降解目标蛋白，为癌症治疗提供新策略。但现有口服PROTAC仅依赖CRBN（cereblon）E3连接酶，限制了靶点范围。本研究旨在开发基于VHL（von Hippel-Lindau）E3连接酶的口服生物可利用PROTAC，选择性降解染色质重塑复合体BAF的ATP酶亚基SMARCA2（而非其旁系同源蛋白SMARCA4），以验证SMARCA4缺陷癌症中SMARCA2依赖性的“合成致死”概念。

研究流程与方法

1. SMARCA2/4结合配体的发现与优化

• 目标：设计高亲和力、低氢键供体数的SMARCA2/4溴结构域（bromodomain, BD）结合分子。
  
• 方法：
  
  • 基于文献报道的PFI-3和Gen-1骨架，通过结构引导优化，开发新型喹唑啉酮核心配体（如化合物3），其SMARCA2 BD结合亲和力（SPR Kd=46 nM）优于Gen-1（Kd=206 nM）。
    
  • 通过共晶结构（PDB: 7Z78）确认结合模式：喹唑啉核心与SMARCA2的Asn1464和Leu1456相互作用，哌啶氮与Glu1417形成盐桥。
    

2. PROTAC设计及体外活性筛选

• 策略：
  
  • 将优化后的SMARCA2配体与VHL配体通过不同链接器（PEG/烷基/醚链）连接，构建双功能分子。
    
  • 关键发现：苯酚到苄基出口向量切换（如化合物5→6）显著提升三元复合物稳定性（埋藏表面积从1837 Ų增至2050 Ų），加速SMARCA2降解（RKO细胞中DC50=2 nM）。
    
• 实验验证：
  
  • 通过TR-FRET和SPR量化三元复合物亲和力。
    
  • 蛋白组学分析显示化合物6选择性降解SMARCA2和PBRM1，而SMARCA4几乎不受影响。
    

3. 体内药效与口服生物利用度优化

• 挑战：VHL PROTAC因理化性质（如高极性表面积）通常口服生物利用度低。
  
• 解决方案：
  
  • 链接器工程：将醚链改为全碳链（如化合物11），降低极性，提高渗透性（Caco-2模型）。
    
  • 分支链接器设计：在化合物11的C5链接器引入甲基，得到ACBI2，其口服生物利用度提升至22%，SMARCA2降解选择性（DC50=1 nM）较SMARCA4高30倍。
    
• 体内实验：
  
  • 皮下给药：化合物6（5 mg/kg）使NCI-H1568异种移植瘤中SMARCA2水平降低90%，肿瘤生长抑制（TGI）达84%。
    
  • 口服给药：ACBI2（80 mg/kg/天）在A549模型中实现47% TGI，且人全血外实验证实其对SMARCA2的选择性降解。
    

4. 机制与选择性解析

• 结构生物学：
  
  • 共晶结构（如PDB: 7Z76）揭示SMARCA2特异性残基Gln1469与VHL的氢键网络，而SMARCA4的Leu1545无法形成类似相互作用，解释了选择性。
    
• 动态构象分析：
  
  • NMR和分子动力学模拟显示ACBI2的紧凑构象（半径回转较小）减少外排转运，提高口服吸收。
    

主要结果与逻辑关联

1. 配体优化：化合物3的高亲和力为PROTAC设计奠定基础。
   
2. 三元复合物稳定性：出口向量和链接器调整（如化合物6）增强降解效率，推动体内实验。
   
3. 口服递送突破：ACBI2通过分支链接器实现口服有效性，填补VHL PROTAC临床转化空白。
   
4. 合成致死验证：ACBI2在SMARCA4缺陷模型中抑制肿瘤生长，支持SMARCA2作为治疗靶点。
   

结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 首次报道口服生物可利用的VHL招募型PROTAC，拓展了E3连接酶的选择范围。
     
   • 通过结构引导设计，阐明PROTAC选择性降解的分子机制。
     
2. 应用价值：
   
   • ACBI2作为工具化合物（通过OPNME平台公开），促进SMARCA2依赖性癌症的研究。
     
   • 为开发其他口服双功能分子提供方法论（如链接器构象优化）。
     

研究亮点

1. 创新性技术：结合共晶结构、SPR和动态构象分析，系统性优化PROTAC设计。
   
2. 转化医学突破：ACBI2是首个展示口服活性的VHL PROTAC，克服了传统VHL配体的理化限制。
   
3. 靶点选择性：通过SMARCA2特异性残基Gln1469的相互作用，实现旁系同源蛋白区分。
   

其他价值

• 开放科学：ACBI2的公开将加速学术界对染色质重塑复合体靶向治疗的研究。
  
• 临床启示：尽管ACBI2在体内仅诱导肿瘤停滞，提示需联合疗法增强疗效，为后续研究指明方向。
  

（报告总字数：约2000字）