Dégradation ciblée des protéines : de nouveaux espoirs pour les maladies « impossibles à traiter » (SMASh, 1re partie)

Au cours des 20 dernières années, la recherche pharmaceutique s'est largement appuyée sur les anticorps et les inhibiteurs enzymatiques, ce qui a permis des avancées révolutionnaires, mais a également mis en évidence les limites de ces approches.

Les anticorps sont hautement sélectifs, mais en raison de leur poids moléculaire élevé, ils ne peuvent bloquer que les domaines extracellulaires des protéines cibles, ce qui limite leur utilisation thérapeutique pour certaines pathologies. De plus, ils nécessitent une administration intraveineuse ou sous-cutanée, c'est-à-dire des modes d'administration invasifs qui ne sont pas toujours bien tolérés par les patients et qui mobilisent du temps et des ressources du système de santé.^1,2

Enzymatic inhibitors, on the other hand, have a low molecular weight (usually <600 Da, which makes them rightful members of the “small molecules” class), relatively simple chemical structures, and are cell permeable, allowing them to engage intracellular targets and, most importantly, cross the blood–brain barrier. They can be optimized for oral bioavailability and metabolic stability, thereby facilitating their administration and storage, as well as reducing costs for health care systems and patients.³ However, these molecules possess important limitations. Owing to their occupancy-based model, they require high systemic drug levels for therapeutic efficacy, often leading to off-target and side effects. They typically disrupt the activity of a single domain, usually insufficient to inhibit all functions of the multidomain proteins. Most importantly, as inhibitors usually target active sites, they are unsuitable for targeting proteins lacking those (e.g., non-enzymatic proteins, or transcription factors), which represent 75% of the human proteome, and are therefore considered "undruggable."^4,5

Ces limites ont incité les scientifiques à mettre au point une nouvelle approche thérapeutique potentielle appelée « dégradation ciblée des protéines », dans laquelle de petites molécules (appelées « dégradateurs ») redirigent les protéines nouvellement traduites vers le système protéasomique. En d’autres termes, les « dégradateurs » ciblent de manière sélective les protéines en vue de leur élimination, plutôt que d’inhiber leur activité^.³ À ce titre, les « dégradateurs » constituent une alternative thérapeutique valable aux inhibiteurs et aux anticorps, car ils combinent les propriétés pharmacologiques des petites molécules (par exemple, la solubilité, la perméabilité, la stabilité métabolique) avec les avantages de la pharmacologie « événementielle », c’est-à-dire l’élimination de la protéine cible induite par la liaison. Ces spécificités en font des outils exceptionnels pour la dégradation sélective de cibles auparavant considérées comme « non médicamenteuses ».^⁶⁻⁹

Plusieurs méthodes ont été mises au point pour induire artificiellement la dégradation de protéines cibles. Il est intéressant de noter qu’elles visent toutes à contrôler l’activité des ligases E3 de l’ubiquitine. Les ligases E3 d'ubiquitine agissent de manière séquentielle, en association avec les enzymes E1 d'activation de l'ubiquitine et les enzymes E2 de conjugaison de l'ubiquitine, pour catalyser la liaison covalente de plusieurs molécules d'ubiquitine à des substrats protéiques destinés à être dégradés.^10–12 L'activité des ligases d'ubiquitine peut être contrôlée par (i) des dégradateurs à petites molécules (c'est-à-dire des dégradateurs bifonctionnels et à « colle moléculaire »), (ii) des conjugués macromoléculaires, ou (iii) des marqueurs de dégradation codés génétiquement^.¹³

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Voir aussi :
Partie 2 : Systèmes de balises de dégradation : un bon moyen de « SMASHer » votre cible

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Plusieurs dégradateurs à base de petites molécules et conjugués de macromolécules ont été mis au point ces dernières années en tant qu’agents thérapeutiques. Les PROTAC (chimères ciblant la protéolyse ou dégradateurs bifonctionnels) ont été développés pour se lier simultanément à une protéine cible et à un composant du complexe ubiquitine-ligase E3 (figure 1).¹⁴ Ces molécules ont la capacité de dégrader l’intégralité de la protéine cible, y compris ses domaines enzymatiques et non enzymatiques, et peuvent se dissocier avec succès de la cible après avoir favorisé sa polyubiquitination, ce qui laisse entrevoir une efficacité potentielle à de très faibles doses. De plus, comme leur processus d’inhibition est déclenché par un événement et non par l’occupation d’un site (contrairement aux inhibiteurs enzymatiques), les PROTAC sont moins sensibles aux mutations et aux dérèglements de l’expression de la protéine cible, ce qui leur permet de surmonter la résistance potentielle observée avec les traitements thérapeutiques actuels^.¹⁵ À l’heure actuelle, les PROTAC ont été utilisés avec succès contre les cancers, les troubles neurodégénératifs, les infections virales et les maladies immunitaires^.¹⁶

De même, les « dégradateurs à colle moléculaire » peuvent forcer une interaction entre la protéine d’intérêt et un composant d’un complexe de ligase E3 d’ubiquitine. La thalidomide et l’indisulam, deux exemples de « colles moléculaires », induisent la dégradation de leurs substrats en les redirigeant vers ce complexe. Retirée du marché en raison de ses effets tératogènes, la thalidomide a désormais été approuvée par la FDA pour le traitement des complications de la lèpre et du myélome multiple, tandis que l’indisulam fait actuellement l’objet d’essais cliniques pour le traitement des tumeurs solides.^⁶,¹³

Le TRIM21 est un exemple de conjugué macromoléculaire. Cette ligase d'ubiquitine présente une large spécificité vis-à-vis des isotypes d'anticorps, ainsi que la capacité de s'ubiquitiner elle-même. Ces propriétés ont été exploitées par les scientifiques pour rediriger les complexes protéine cible-anticorps vers le système ubiquitine-protéasome, dégradant ainsi les protéines endogènes pour lesquelles des anticorps spécifiques sont disponibles (figure 2).^¹⁷ Cependant, il a été démontré que l’utilisation de TRIM21 peut induire la dégradation des partenaires de liaison de la protéine cible, ainsi qu’une récupération rapide de la cible principale.

Comme mentionné précédemment, l’activité des ligases d’ubiquitine peut également être contrôlée à l’aide de marqueurs de dégradation codés génétiquement. Bien qu’elles ne soient pas adaptées à un usage thérapeutique, ces approches constituent des modèles précliniques optimaux pour le développement de traitements reposant sur la dégradation ciblée de protéines. Différentes méthodes ont vu le jour au cours des dix dernières années, notamment le système de désactivation assistée par de petites molécules (SMASh).

Ce système, un nouveau marqueur comprenant la protéase NS3 du virus de l’hépatite C (VHC), a été mis au point en 2015 par Michael Z. Lin et son équipe.¹⁸ En l'absence d'inhibiteur de protéase, le marqueur SMASh s'autoclive, produisant une protéine intacte, tandis qu'en présence de celui-ci, toutes les protéines marquées nouvellement synthétisées sont rapidement dégradées (figure 3).¹⁸ Le système SMASh présente de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes de dégradation ciblée des protéines : il est inductible, réversible et ne nécessite qu'une ingénierie limitée.

Aujourd’hui, la dégradation ciblée des protéines est devenue un domaine prometteur dans le développement de médicaments. L’association de modèles précliniques optimisés, utilisant des marqueurs de dégradation codés génétiquement tels que SMASh, avec des dégradateurs à base de petites molécules ou des conjugués de macromolécules à des fins thérapeutiques, devrait permettre d’élargir la liste des protéines pouvant faire l’objet d’un traitement médicamenteux. Cela devrait ouvrir de nouvelles perspectives pour la mise au point de traitements innovants contre des maladies auparavant considérées comme « impossibles à traiter par des médicaments ».