絲裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase, MAPK) 信號通路是哺乳動物細(xì)胞中的基本通路，與細(xì)胞增殖、分化、凋亡及血管生成等生理活動密切相關(guān)，研究表明，MAPK 通路中某些蛋白的異常激活是導(dǎo)致多種癌癥的重要原因，因此，干預(yù)該通路可以作為腫瘤治療的策略之一。在本文中，我們將對 MAPK 信號通路與癌癥的關(guān)系，以及相關(guān)的藥物研究作相關(guān)的介紹。
MAPK 是一類絲/蘇氨酸蛋白激酶，目前已鑒定出 6 組成員，分別是細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶 (extracellular signal-regulated kinase, ERK) 1/2，ERK 3/4， ERK 5，ERK 7/8，Jun 氨基末端激酶 (Jun N-terminal kinase, JNK)1/2/3，p38 ɑ/β/γ(ERK6)/δ。不同 MAPK 與特異的 MAPK 激酶 (MAPKK)，MAPK -激酶-激酶 (MAPKKK) 聯(lián)系，形成保守的三級酶促級聯(lián)反應(yīng) (MAPKKK→MAPKK→MAPK)，上游的信號通過該級聯(lián)反應(yīng)由 MAPK 傳遞至下游的核轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞骨架蛋白，形成完整的 MAPK 信號通路，最終完成細(xì)胞生理活動的調(diào)節(jié)。在所有 MAPK 通路中，ERK1/2 通路研究得最為深入，與癌癥的關(guān)系也最為密切。JNK 通路與 P38 通路在調(diào)節(jié)細(xì)胞的炎癥、凋亡等活動中具有重要作用，激活這兩條通路可以促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡，臨床上應(yīng)用As?O?治療白血病正是通過活化 JNK 通路實(shí)現(xiàn)，諾考達(dá)唑和紫杉醇作為化療藥物則通過活化 P38 通路治療癌癥。
MAPK通路
ERK1/2 信號通路在調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化、凋亡、遷移等活動中發(fā)揮重要的作用。當(dāng)外界信號如生長因子、有絲分裂原等與受體結(jié)合后，激活受體酪氨酸激酶活性，通過下游銜接蛋白將信號傳遞給小 GTP 酶 Ras，Ras 由 GDP 結(jié)合型轉(zhuǎn)變?yōu)?GTP 結(jié)合型，激活下游 Raf，活化的 Raf 使 MEK1/2 上的絲氨酸位點(diǎn)磷酸化而激活，后者磷酸化 ERK1/2 上的蘇氨酸和酪氨酸殘基并激活，活化的 ERK1/2 進(jìn)一步激活核轉(zhuǎn)錄因子或者胞漿蛋白而產(chǎn)生一系列的變化。在這個過程中，任何一級的蛋白變異都有可能導(dǎo)致癌癥的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，ERK 通路蛋白的突變經(jīng)常會在癌癥中出現(xiàn)，大約有三分之一的人類腫瘤表達(dá)了組成型激活突變的 RAS，大約有 8% 的腫瘤出現(xiàn)了 BRAF 的異常激活。
靶向ERK1/2信號通路的抗癌策略
靶向RAS的藥物開發(fā)策略
過去 30 年來，大量研究發(fā)現(xiàn)了不同類型腫瘤中 RAS 家族蛋白的高突變率 (KRAS 20%, NRAS 8.0%, HRAS 3.3%)，表明該家族蛋白在癌癥治療中的潛在作用。研究者也探明了 RAS 突變致癌的基本機(jī)制，即組成型激活的 RAS 穩(wěn)定于 GTP 結(jié)合的活化狀態(tài)，從而使下游通路一直被激活，最終造成細(xì)胞的過度增殖。然而由于 RAS 與 GTP 結(jié)合的高親和力，靶向抑制 GTP 結(jié)合口袋的藥物開發(fā)一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。RAS 結(jié)合于細(xì)胞膜是其激活的必要過程，由此提出的一個策略是阻止其向細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)移。法尼基轉(zhuǎn)移酶是催化 RAS 結(jié)合于細(xì)胞膜的關(guān)鍵酶，然而針對此酶開發(fā)的抑制劑 (FTIs) 效果并不理想，因為 RAS 與細(xì)胞膜的結(jié)合同樣可以被香葉基基轉(zhuǎn)移酶催化。PDEδ 是促進(jìn) RAS 正確定位于細(xì)胞膜的重要蛋白，有研究報道，靶向此蛋白的抑制劑可有效抑制 KRAS 的致癌信號，然而這種策略能否產(chǎn)生有效的抗癌藥物還有待于觀察。近年來，直接靶向 RAS 的藥物開發(fā)又被人們重新提起，基于蛋白結(jié)構(gòu)設(shè)計化合物的方法，研究者開發(fā)出了一系列 RAS 調(diào)節(jié)劑。鳥嘌呤交換因子 SOS 可以催化 RAS 由 GDP 結(jié)合狀態(tài)向 GTP 結(jié)合狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。利用片段化合物篩選的方法，有兩組研究者得到了能夠與 RAS 結(jié)合并干擾其與 SOS 相互作用的化合物。然而，由于這些小分子在 RAS 上的結(jié)合口袋比較淺，因此能否通過進(jìn)一步的優(yōu)化得到臨床有效的化合物仍然是一個問題。此外，也有研究者通過虛擬篩選的手段對阻斷 RAS-GTP 和 RAF 結(jié)合的小分子進(jìn)行了篩選，并鑒定出一些實(shí)際有效的化合物。然而，這些化合物的選擇性以及有效性仍然存疑。KRAS(G12C) 突變是癌癥中的常見突變，有研究者報道了一組結(jié)合于該突變蛋白的半胱氨酸反應(yīng)性抑制劑。他們的研究策略有兩個目標(biāo)，首先是利用半胱氨酸反應(yīng)性小分子化合物庫篩選得到與 G12C 微弱結(jié)合的小分子，并在此基礎(chǔ)上得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的小分子，其次是尋找一種作用于突變 RAS 的，具有治療意義的抑制劑。通過對 G12C 與抑制劑結(jié)合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，找到的這些半胱氨酸反應(yīng)性小分子是結(jié)合于 RAS 上的新口袋，它位于效應(yīng)器結(jié)合的開關(guān)Ⅱ區(qū)的下方。這些化合物的結(jié)合改變了 RAS 的核苷酸結(jié)合偏好，使 GDP 結(jié)合優(yōu)于 GTP 結(jié)合，從而使 RAS 處于失活狀態(tài)，關(guān)閉 RAS 的信號。目前，基于該策略開發(fā)的藥物包括Lumakras (sotorasib, AMG510)，Adagrasib (MRTX849) 等均已取得良好的臨床效果。
KRAS(G12C)突變蛋白上半胱氨酸反應(yīng)性小分子結(jié)合口袋
RAF 激酶家族包括 3 種亞型，分別是 ARAF，BRAF 和 CRAF，它們具有高度的同源性和類似的結(jié)構(gòu)域。激酶C端包含有激酶結(jié)構(gòu)域，缺乏 RAS-GTP 時，N 端會與 C 端結(jié)合使激酶處于非活性構(gòu)像。RAS 被激活后，RAS-GTP 與 RAF 的 RAS 結(jié)合域結(jié)合。RAF 的激活是一個復(fù)雜的過程，包括 RAF 的招募，細(xì)胞膜上 RAS-RAF 復(fù)合物的形成，RAF 上許多陽性和陰性調(diào)節(jié)位點(diǎn)的磷酸化和去磷酸化，RAF 的同二聚化和異二聚化，但是確切的順序和詳細(xì)的細(xì)節(jié)目前仍不清楚。不過 RAF 抑制劑的作用機(jī)制揭示了二聚化是 RAF 發(fā)揮催化活性以及 RAF 抑制劑發(fā)揮作用的關(guān)鍵步驟。CRAF 被認(rèn)為具有潛在致癌作用的亞型，圍繞它的研究和藥物發(fā)展工作也是最早展開的。然而人類癌癥中的 CRAF 突變十分稀少，早期開發(fā)的 CRAF 抑制劑主要基于其作為 RAS 效應(yīng)器的功能。2002 年，研究者在人類腫瘤中發(fā)現(xiàn)了大量的 BRAF 突變，研究的焦點(diǎn)也從 CRAF 轉(zhuǎn)向了 BRAF。相比于 CRAF，BRAF 具有更高的基礎(chǔ)活性。因此，單一突變足以使 BRAF 高度異常激活，而 CRAF 則需要額外的突變才能達(dá)到同樣的活性。纈氨酸到谷氨酸的突變（V600E）是最常見的 BRAF 突變，在所有致癌 BRAF 突變中占到了 90% 以上。其他的致癌 BRAF 突變通常聚集于 BRAF 的激活片段或者富含甘氨酸的肽環(huán)中。相比于 CRAF 和 BRAF，ARAF 的激酶活性較低，ARAF 突變已經(jīng)在一小部分肺癌以及來自 Langerhans 細(xì)胞組織細(xì)胞增生癥患者的樣品種檢測到。獲得批準(zhǔn)上市的 RAF 抑制劑——sorafenib，是 CRAF 和廣泛的 BRAF 抑制劑。但一項隨機(jī)的臨床Ⅲ期試驗表明，針對攜帶 BRAF(V600E) 突變的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤，sorafenib 并未表現(xiàn)出有效的作用。MEK1 和 MEK2 是密切相關(guān)的雙重特異性激酶，介導(dǎo)了生長因子信號從激活 RAF 到 ERK 的傳導(dǎo)。雖然人類腫瘤中很少發(fā)現(xiàn) MEK 激活變異的存在，但由于 MEK 處于通路中 RAS 和 RAF 蛋白的下游，為 RAS 和 RAF 突變導(dǎo)致腫瘤的治療提供了一種新的策略，因此是一個很有吸引力的靶點(diǎn)。目前，已經(jīng)有選擇性、非 ATP 競爭性的 MEK 變構(gòu)抑制劑進(jìn)入臨床發(fā)展階段。包括進(jìn)入臨床的小分子抑制劑 CI-1040（雖然最后由于口服活性和療效等問題并未被批準(zhǔn)上市），以及個被 FDA 批準(zhǔn)的 MEK1/MEK2 抑制劑 trametinib等。
ERK抑制劑
ERK1 和 ERK2 具有高度一致的氨基酸序列（85%），它們的酪氨酸和蘇氨酸殘基可被 MEK 磷酸化而激活。激活的 ERK 可以調(diào)節(jié)一系列的細(xì)胞活動，包括細(xì)胞生殖和生存等。與 RAF 和 MEK 相比，ERK1 及 ERK2 選擇性抑制劑的開發(fā)并不理想，一部分原因是早期的假設(shè)認(rèn)為 ERK 僅僅是 MEK 的下游靶標(biāo)，ERK 抑制劑并不會具備比 MEK 抑制劑更加理想的效果。然而，最近的研究引起了人們開發(fā) ERK 抑制劑的興趣。首先，對于 RAF 和 MEK 抑制劑的研究使人們意識到，靶向同一通路不同組分的抑制劑可以產(chǎn)生復(fù)雜多樣的生物學(xué)效應(yīng)。其次，ERK 信號通路不同組分的抑制劑促進(jìn)的負(fù)反饋回路可能顯示出重要的差異。此外，RAF 及 MEK 抑制劑的耐藥性通常會涉及到 ERK 信號通路的恢復(fù)，也表明 ERK 抑制劑的潛力。目前，已有 ERK 相繼被報道，包括 SCH772984，BVD-523 及 GDC0994 等。總的來說，MAPK 信號通路尤其是 ERK1/2 通路與癌癥存在密切的聯(lián)系，針對通路中關(guān)鍵蛋白設(shè)計的抗癌小分子也顯示出巨大的潛力，隨著研究的不斷深入，相信在不久的未來將會開發(fā)出更多具有顯著效果的小分子抑制劑藥物，向著攻克癌癥的方向更近一步。陶術(shù)生物能夠提供 700 多種 MAPK 通路相關(guān)的小分子抑制劑，助力 MAPK 通路領(lǐng)域的研究。
相關(guān)產(chǎn)品 |
AMG-510 is a selective and orally bioavailable KRAS G12C covalent inhibitor. |
MRTX849 MRTX849 is a potent, selective and covalent KRASG12C inhibitor with potential antineoplastic activity. It selectively modifies mutant cysteine 12 in GDP-bound KRASG12C, and inhibits KRAS-dependent signaling. |
Sorafenib Sorafenib is a potent multikinase inhibitor (IC50s: 6/20/22 nM for Raf-1/VEGFR-4/B-Raf). |
CI1040 CI-1040 (PD184352) is an ATP non-competitive MEK1/2 inhibitor (IC50: 17 nM). |
Trametinib is an ATP-noncompetitive inhibitor of MEK 1/2 (IC50s: 0.7/0.9 nM). It shows low inhibition for more than 180 kinases, including B-Raf, c-Raf, and MEK5. |
參考資料
[1]Samatar A A , Poulikakos P I . Targeting RAS-ERK signalling in cancer: promises and challenges.[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2014, 13(12):928-42.
[2]FDA Approves First KRAS Inhibitor: Sotorasib. Cancer Discov. 2021 Jun 22. doi: 10.1158/2159-8290.CD-NB2021-0362. Epub ahead of print. PMID: 34158284.
[3]Lanman B A, Allen J R, Allen J G, et al. Discovery of a covalent inhibitor of KRASG12C (AMG 510) for the treatment of solid tumors[J]. Journal of Medicinal Chemistry, 2019.
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