PROTAC을 설계할 때
CRBN Ligand의 'Handle'은 왜 중요할까요?

PROTAC은 단순한 inhibitor와 달리 target protein과 E3 ligase를 동시에 연결해 세포의 ubiquitin-proteasome system을 이용하여 target protein의 분해를 유도합니다. 따라서 좋은 PROTAC을 설계하려면 target binder뿐 아니라 E3 ligase ligand, linker와 이들을 연결하는 chemistry를 함께 고려해야 합니다.

PROTAC은 어떻게 Target Protein을 없앨까요?

전통적인 small-molecule inhibitor는 target protein의 active site 등에 결합해 기능을 억제합니다.

PROTAC(Proteolysis Targeting Chimera)은 접근 방식이 다릅니다.

즉 target의 activity를 일시적으로 차단하는 대신 세포가 가진 protein degradation machinery를 이용해 target protein 자체를 제거하는 전략입니다.

CRBN은 무엇일까요?

CRBN(Cereblon)은 CRL4-CRBN E3 ubiquitin ligase complex의 substrate receptor입니다.

Thalidomide, lenalidomide, pomalidomide 계열의 IMiD scaffold가 CRBN과 결합한다는 특성을 이용해 많은 PROTAC에서 CRBN을 recruitment하는 E3 ligase ligand가 개발되어 왔습니다.

따라서 PROTAC medicinal chemistry에서는 CRBN-binding scaffold를 유지하면서 linker를 어디에, 어떤 chemistry로 연결할 것인가가 중요한 설계 요소가 됩니다.

CRBN Ligand에 왜 Functional Handle이 필요할까요?

CRBN ligand와 target ligand를 연결하려면 linker를 부착할 수 있는 chemical handle이 필요합니다.

이번 ChemScene의 신규 CRBN ligand building block에는 halogen, boronate 및 amine 등의 기능기가 포함된 구조가 소개되었습니다.

이러한 handle은 단순한 장식이 아니라 어떤 coupling chemistry를 사용할 수 있는지를 결정합니다.

예를 들어 Boronate가 있다면?

Boronate ester는 medicinal chemistry에서 매우 유용한 synthetic handle입니다.

적절한 aryl/vinyl halide partner와 조합하면 Suzuki-Miyaura cross-coupling을 통해 새로운 C–C bond를 형성할 수 있습니다.

따라서 boronate-functionalized CRBN ligand는 다양한 linker 또는 substituent를 도입하여 CRBN ligand SAR을 빠르게 전개하는 building block으로 활용할 수 있습니다.

Halogen Handle은?

Bromide나 chloride와 같은 halogen 역시 다양한 cross-coupling chemistry의 출발점으로 사용할 수 있습니다.

예를 들어 이번 ChemScene 메일에는 brominated CRBN scaffold와 bromo/fluoro-substituted scaffold가 포함되어 있습니다.

이러한 구조를 starting material로 사용하면 CRBN-binding core를 유지하면서 linker attachment position과 substitution pattern을 변화시킨 analog library를 설계할 수 있습니다.

Amine / Carboxyl Handle도 중요합니다

Amine이나 carboxyl group이 존재하면 amide coupling을 이용한 linker attachment를 검토할 수 있습니다.

이 방식은 PEG, alkyl 및 기타 bifunctional linker를 연결할 때 가장 익숙한 bioconjugation/medicinal chemistry 접근 중 하나입니다.

결국 어떤 CRBN ligand를 선택할지는 단순히 binding affinity만의 문제가 아닙니다.

이 조합이 최종 degrader의 성능을 결정합니다.

PROTAC에서 Linker가 단순한 연결선이 아닌 이유

PROTAC의 linker는 target ligand와 E3 ligand 사이의 거리만 결정하지 않습니다.

Linker length, flexibility, polarity와 attachment geometry는 target–PROTAC–E3 ligase가 만드는 ternary complex의 geometry와 stability에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 PROTAC SAR에서는 하나의 CRBN ligand에 하나의 linker만 만들어 보는 것보다 attachment position과 linker architecture가 다른 analog를 비교하는 전략이 흔히 필요합니다.

Molecular Glue와는 무엇이 다를까요?

PROTAC은 일반적으로 target ligand와 E3 ligase ligand를 linker로 연결한 bifunctional molecule입니다.

반면 molecular glue degrader는 비교적 작은 molecule이 E3 ligase와 새로운 substrate 사이의 interaction을 유도하거나 안정화하여 protein degradation을 촉진합니다.

CRBN은 두 분야 모두에서 중요한 E3 ligase입니다.

따라서 CRBN scaffold의 modification과 neosubstrate recruitment를 이해하는 것은 PROTAC뿐 아니라 molecular-glue discovery에서도 중요한 medicinal chemistry 주제입니다.

이번 ChemScene 신규 Building Block 예시

CS-0997482
Brominated CRBN-related scaffold
CAS 2862037-39-4

CS-0868020
Boronate-functionalized CRBN ligand building block
CAS 2655649-30-0

CS-0783579
Bromo/fluoro-substituted CRBN ligand scaffold
CAS 2912303-48-9

CS-1184962
Chloro + boronate-functionalized glutarimide scaffold
CAS 3050687-68-5

CS-1267715
Aminomethyl-functionalized CRBN-related scaffold
CAS 3069895-40-2

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