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“鹽橋”牽線：圍剿癌癥之王

2022.1.27

　　新型抑制劑可以特異性地靶向突變的KRAS-G12D蛋白，如同后羿射日一樣瞄準癌癥細胞將其“擊落”，而不會影響正常的細胞的生長。受訪者供圖

　　胰腺癌被稱為“癌癥之王”。這是一種最為依賴KRAS基因突變的腫瘤。如何開發有效的KRAS抑制劑，是臨床藥物治療上的迫切需求。

　　1月25日，《細胞—發現》(Cell Discovery)在線發表了清華大學藥學院教授張永輝團隊和湖北大學生命科學學院教授郭瑞庭團隊的合作研究成果。他們發現了一款靶向KRAS—G12D的長效抑制劑，并通過晶體學研究揭示其獨特的雙態靶向結構基礎。這將為抗胰腺癌藥物研發提供新思路。

　　KRAS-G12D是胰腺癌最普遍的突變類型受訪者供圖

　　挑戰“不可成藥”魔咒

　　“盡管現代醫學的發展使很多癌癥可控甚至治愈，但胰腺癌由于難診斷難治療，成為科學家尚未攻克的癌癥之一，因此被稱為‘癌癥之王’。”論文通訊作者張永輝在接受《中國科學報》采訪時說，胰腺癌是一種惡性程度極高的消化系統腫瘤，也是實體瘤中致死率最高的癌癥類型之一。

　　胰腺癌的一個重要特點是，約90%的腫瘤中攜帶著KRAS基因突變。可以說，胰腺癌是最為依賴KRAS基因突變的腫瘤類型之一。

　　KRAS蛋白能給予細胞指令促進其生長或分裂，如果因為遺傳物質突變導致KRAS蛋白在某些細胞中過度激活的話，這些細胞就會不受抑制地進行分裂，這就是癌癥的開始。

　　KRAS基因來自于著名的RAS家族，這個家族中的NRAS、HRAS和KRAS突變引起的癌癥占所有人類癌癥近1/4，幾乎覆蓋了所有的癌癥類型，每年在全球造成100萬人死亡。

　　其中，KRAS突變占所有RAS突變的85%，是最常見的致癌基因。KRAS突變存在于90%的胰腺癌中，30~40%的結腸癌中，15-20%的肺癌中(大多為非小細胞肺癌)。

　　而胰腺癌的KRAS突變亞型中，G12D最為普遍，約占胰腺癌的36%。因此，臨床上迫切希望開發出有效的KRAS—G12D抑制劑。

　　然而，籠罩在KRAS基因突變上空的是“不可成藥”“無藥可靶”的魔咒。

　　論文共同通訊作者郭瑞庭解釋到：“我們在藥物研發時，會仔細觀察靶標蛋白的結構，尋找能結合兩個關鍵位點的化合物。具有‘深口袋’結構的靶標蛋白是比較理想的，這樣藥物就可以進入其中，并與多個位點結合，從而發揮藥效。”

　　然而，KRAS蛋白體積小、表面光滑，像一個閃亮光滑的小球，缺乏傳統小分子藥物可以結合的“深口袋”結構，一度被認為是“不可成藥”的靶標。

　　此外，它在激活狀態下與三磷酸鳥苷(GTP，細胞中的能量載體之一)結合緊密，這增加了抑制處于激活狀態下的KRAS蛋白的難度。

　　挑戰KRAS—G12D“不可成藥”的魔咒，是擺在科學家面前的一道難題。

　　一座設計精巧的鹽橋

　　“胰腺癌常見的致癌性KRAS—G12D突變體抑制劑的研發一直進展不佳。”張永輝說，最近的研究探索了多種靶向KRAS—G12D的方法，可是這些分子都不能有效靶向KRAS—G12D。

　　不久前，美國安進公司(AMGEN)開發了針對KRAS—G12C的抑制劑，它可以共價結合KRAS突變體第12位上的半胱氨酸C12。該抑制劑已經獲得美國食品藥品監督管理局(FDA)批準，可用于治療攜帶KRAS-G12C突變的非小細胞肺癌患者。盡管KRAS—G12C突變在胰腺癌中僅占2%，KRAS—G12C抑制劑僅被批準治療非小細胞肺癌，但依舊讓科學家看到了尋找胰腺癌KRAS成藥的希望。

　　為了進行精準的藥物設計，他們首先搞清楚了KRAS—G12D的三維結構。

　　藥物篩選得到的兩個優勢化合物受訪者供圖

　　“我們仔細研究了KRAS—G12D的晶體結構。假設突變體第12位天冬氨酸的羧酸基團在生理條件下脫去質子，這個時候我們就可以引入烷基胺基團，該基團與羧酸部分形成‘鹽橋’的相互作用。這種強的鹽橋相互作用，本質上與前面提到的KRAS—G12C抑制劑和半胱氨酸之間的共價作用是類似的。”郭瑞庭介紹。基于鹽橋的策略，他們設計合成了一系列化合物，利用核苷酸交換、ITC分析、抗細胞增殖實驗對其體外活性進行了表征，最終層層篩選得到兩個優勢化合物：TH-Z827和TH-Z835。

　　“這兩個化合物對KRAS突變型胰腺癌細胞具有良好的抑制活性，在對胰腺癌異種移植小鼠的動物實驗也觀察到了腫瘤體積的顯著減少。”張永輝說。

　　那么，這兩個化合物究竟是如何發揮抑制作用的呢?

　　晶體學研究揭示獨特作用機制

　　抑制劑分子通過鹽橋與KRAS-G12D結合受訪者供圖

　　論文共同第一作者、湖北大學省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室楊鈺介紹，在KRAS蛋白中有一個核苷酸結合位點，可與二磷酸鳥苷(GDP)或三磷酸鳥苷(GTP)結合。KRAS蛋白就在與GDP結合的“不活躍”狀態和與GTP結合的“活躍”狀態之間循環轉換。

　　“這兩種狀態的轉換區構象有很大差異，迄今為止，沒有一種KRAS —G12C抑制劑能夠有效地靶向KRAS活性狀態。”楊鈺說。

　　郭瑞庭告訴《中國科學報》，他們這個結構生物學團隊與張永輝團隊有數十年的良好合作基礎，在這項研究中解析了三個抑制劑分子與KRAS—G12D的晶體結構。

　　結果發現，這些G12D抑制劑的結合模式與G12C抑制劑是截然不同的，有著獨特的結構作用機制。

　　楊鈺說，他們在TH-Z835的晶體結構中觀察到，其與第12位天冬氨酸之間形成了鹽橋作用，并借助鹽橋在光滑的KRAS表面“擠開”一個“口袋”一樣的結構。KRAS—G12D抑制劑就此結合在這個“口袋”里面，同時與周圍多個重要氨基酸形成關鍵氫鍵作用。

　　郭瑞庭認為，基于上述機理開發的抑制劑可以針對性地與KRAS—G12D突變體結合，使它不再向細胞發出生長或分裂指令，也就是KRAS突變蛋白失活了。而正常的KRAS蛋白沒有受到影響。從而達到靶向抑制癌癥的目的。

　　“這些在晶體結構中觀察到的獨特作用機制，很好的解釋了我們在同時靶向活性態和非活性態KRAS方面取得的成功：空間碰撞使G12C抑制劑無法靶向GTP結合態的KRAS—G12C，而我們的G12D抑制劑通過形成鹽橋，獲得了足夠的空間來同時靶向活性態和非活性態KRAS—G12D。”郭瑞庭說，這項對KRAS突變型胰腺癌細胞和異種移植模型小鼠的研究對抗癌藥物的研發具有深遠的醫學意義。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41421-021-00368-w

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