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Science重磅！再次打破KRAS不可成药传说，神奇的分子胶为何物？

KRAS ，全名 kirsten rat sarcoma viral oncogene，隶属于 RAS 原癌基因家族，编码一种与细胞生长相关的 小 GTP 酶 ( small GTPase ) 。作为癌症中最常见的基因突变位点，KRAS 突变（以 G12C 为主）会激活细胞不断增殖，引起癌症的发生。

在过去的几十年来，科学家们不断的寻找着可以靶向抑制 KRAS ，阻断其异常激活的药物。但由于这种蛋白的表面十分平坦，难以找到合适的可以被药物结合的位点，一直被认为是 不可成药 的。

2023 年 8 月 17 日，来自美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心 ( MSKCC ) 的研究团队在国际顶级期刊 Science 发文， Chemical remodeling of a cellular chaperone to target the active state of mutant KRAS ，受到分子胶作用机制的启发，基于天然产物开发了一种通过与亲环蛋白 CYPA 形成三元复合物选择性地靶向 KRAS ^G12C的小分子抑制剂，为多种癌症的治疗提供了新方向，让我们一起跟随 T 仔来看看吧~

▲ 点击图片查看原文

尽管目前已研发出少量的 KRAS ^G12C抑制剂，用于由 KRAS 突变引起的非小细胞肺癌、胰腺癌等癌症的治疗，如 sotorasib ( AMG 510 ) 和 adagrasib 。但它们靶向的均是鸟苷二磷酸 ( GDP ) 结合的 KRAS ^G12C无活性形式，起效较为缓慢，并且具有耐药的风险。

在本研究中，研究人员将目光转向了结合了 GTP 的 活性状态 KRAS ^G12C。

受到 分子胶（如环孢霉素 A 、雷帕霉素和 FK506 等天然产物）能通过与受体（如亲免素FKBP12 ）结合改变蛋白构象，从而结合目标蛋白（如钙调神经磷酸酶）形成三元复合物这一作用机制的启发。

作者关注到一种与 KRAS 效应器结合界面上的残基具有良好静电表面电荷互补性的亲免素 亲环蛋白 A ( CYPA ) 。而 Sanglifehrin A 是一种已知能以高亲和力结合 CYPA 的天然产物。

▲开发针对 KRAS^G12C活性状态的三复合物抑制剂

基于 Sanglifehrin A ，作者合成了一种工具配体（化合物-1，compound-1），包含 sanglifehrin A 的 CYPA 结合基团和一个半胱氨酸反应弹头，得到了最初的 CYPA:compound-1:KRAS ^G12C三元复合物。

晶体结构表明，这种复合物中配体的大环化会降低构象熵并增加蛋白质接触。因此又对该配体的结构进行了优化，包括引入吲哚取代基，酚羟基的去除，或是丙烯酰胺弹头、炔酰胺弹头修饰，最终得到了化合物 RMC-4998 。尽管靶向的是活性状态 KRAS ^G12C，但相较现有的非活性状态选择性抑制剂， RMC-4998 也具有更优秀的共价结合效率[酶失活速率常数 ( k_inact) /抑制常数 ( K_I) = 272,000 M^-1s ^-1]。

单独的 RMC-4998 和 CYPA 均不能与 KRAS ^G12C结合，但 RMC-4998 可以通过先与CYPA 结合改变其构象，形成 CYPA:RMC-4998 二聚体，再与激活状态的 KRAS^G12C( KRAS ^G12C- GTP ) 共价结合形成稳定的三元复合物，该三元复合物非常稳定，在生物物理测定和细胞实验中半衰期超过 8 小时。并且 RMC-4998 具有良好的选择性，既不结合非活性状态的 KRAS^G12C( KRAS ^G12C- GDP ) ，也不影响野生型的 KRAS 、 NRAS 或 HRAS 。

CYPA:RMC-4998:KRAS ^G12C三元复合物的形成，可以 抑制 KRAS^G12C突变癌细胞模型中ERK 下游信号的传导 ( IC 50= 1 ~ 10 nM ) 、减弱 AKT-MTOR 和 RAL 通路的信号传导。并且直接靶向活性状态的 KRAS ^G12C可以使 RMC-4998 绕过 GTP 水解速率的限制问题，比非活性状态选择性抑制剂 adagrasib ( 1 μM ) 和 sotorasib ( 10 μM ) 更快地阻断 KRAS ^G12C与 CRAF 之间的相互作用。

▲活性状态选择性 KRAS^G12C 抑制的细胞效应

通过对 RMC-4998 进一步优化，作者合成了 RMC-6291 。RMC-6291 与 RMC-4998化学结构类似，与活性 KRAS G12C 结合的动力学常数也几乎相同，并且均能抑制 KRAS^G12C突变 H358 细胞中 ERK 信号的传导并诱导细胞凋亡。但 RMC-6291 在癌细胞系组中具有更高的抑制 KRAS^G12C突变细胞的增殖的能力 ( IC 50= 0.11 nM ) 与选择性。在动物试验和细胞实验中， RMC-6291 和 RMC-4998 均具有良好的肿瘤抑制效果，目前已进入临床测试阶段（ NCT05462717 和 NCT05379985 ）。

▲ 三元复合物抑制剂有效且选择性地抑制 KRAS ^G12C 驱动的肿瘤生长

总结

综上，本研究基于分子胶的作用机制开发了一种新型的 选择性 KRAS^G12C抑制剂，再一次打破了 KRAS 不可成药的传说，靶向激活状态的 KRAS^G12C，具有更快、更优秀的抗肿瘤疗效。并且这类分子胶药物也为更多的没有明确靶点的“不可成药”蛋白提供了新的药物研发思路，让我们一起期待后续的药物研发进展吧~

▲分子胶对 KRAS 突变体的抑制作用

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◆Ras抑制剂

Ras 蛋白是一种单体 GTP 结合蛋白，具有 GTPase 活性，分布于胞质中，结合 GTP 时未活化状态，结合 GDP 时为失活状态。30% 的人类恶性肿瘤与 Ras 基因突变有关，突变的 Ras 蛋白与 GTP 永久结合，导致细胞持续增殖。

◆ PROTAC

PROTAC 是一种异双功能小分子化合物，由两个配体（泛素连接酶 E3 配体和与细胞中目标靶蛋白结合的配体）通过 linker 相连，将目标靶蛋白和细胞内的 E3 泛素连接酶的距离拉近，利用“泛素-蛋白酶体”途径特异性的降解靶蛋白。

PROTAC 是“不可成药”靶点靶向药物开发的一大利器。

好了，今天的 T 仔号文献列车即将到站。希望大家科研顺利哦，我们下次再见~

参考文献：

[1] Ostrem JM, Peters U, Sos ML, Wells JA, Shokat KM. K-Ras(G12C) inhibitors allosterically control GTP affinity and effector interactions. Nature. 2013;503(7477):548-551. doi:10.1038/nature12796

[2] Skoulidis F, Li BT, Dy GK, et al. Sotorasib for Lung Cancers with KRAS p.G12C Mutation. N Engl J Med. 2021;384(25):2371-2381. doi:10.1056/NEJMoa2103695

[3] Schulze CJ, Seamon KJ, Zhao Y, et al. Chemical remodeling of a cellular chaperone to target the active state of mutant KRAS. Science. 2023;381(6659):794-799. doi:10.1126/science.adg9652