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郭瑞庭教授团队打破KRAS(G12D)“不可成药”的魔咒

作者:   编辑:鲜文涛    来源:省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室  发布时间:2022/01/25

近日,湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室郭瑞庭教授团队与清华大学药学院张永辉教授团队合作,在国际重要学术期刊Cell Discovery发表了题为“KRAS(G12D) can be targeted by potent inhibitors via formation of salt bridge”的研究论文。该研究发现了一款靶向KRAS(G12D)的长效抑制剂,并通过晶体学研究揭示其独特的双态靶向结构基础,对抗胰腺癌药物研发具有深远的医学意义。张永辉教授和郭瑞庭教授为本文共同通讯作者,清华大学博士生茆中蔚、肖鸿颖以及湖北大学博士生沈盼盼、杨钰博士为本文共同第一作者。

KRAS基因是最常见的突变致癌基因之一,数据显示,有近30%的癌症患者存在KRAS基因突变,特别是肺癌、直肠癌和胰腺癌患者。KRAS是负责信号开关的三磷酸鸟苷GTP酶之一,通过GTP结合形成“开”的状态和GDP结合形成“关”的状态之间的切换,调节细胞生长。如果KRAS发生突变,将会因为无法转换GTP成GDP,而持续处在“开”的状态,使得下游效应信号通路过度激活,从而导致细胞增殖失控和相关癌症细胞的生长、转移。KRAS突变主要是指多发于肺癌等患者中的KRAS(G12C)和多见于胰腺癌和直肠癌等疾病的KRAS(G12D)。

以KRAS突变体为靶点的药物研发是干预或治疗上述癌症的重要手段之一。长期以来,由于KRAS与GTP具有极高的亲和力,再加上KRAS蛋白表面“光滑”难以靶向,导致KRAS被冠以“不可成药”“无药可靶”的魔咒。

近年来,经过科学家们的接力研究,正在对KRAS突变体逐个攻破。安进(AMGEN)公司近期开发了针对KRAS(G12C)的抑制剂,可以共价结合突变体第12位半胱氨酸(C12),目前已经获得美国FDA批准。然而,针对另一个突变体KRAS(G12D)的抑制剂研发过程中,则突显出结合能力不佳的问题。由于突变体KRAS(G12D)在胰腺癌和直肠癌中的频率很高(近五成),因此针对该突变体的药物研发迫在眉睫。

图1. 抑制剂分子通过盐桥与KRAS(G12D)结合

本研究以MRTX为先导化合物,通过理性设计,获得可以与KRAS(G12D)第12位天冬氨酸形成盐桥的化合物(TH-Z816,IC50: 14 μM),并能用晶体学方法得以验证。如图1所示,抑制剂分子结合在“挤开”switch II结构域后形成的别构口袋里面。进而经过多轮分子优化,最终得到两个优势化合物TH-Z827(IC50: 3.1 μM)和TH-Z835(IC50: 1.6 μM)。活性实验和晶体学结果显示,以上两个抑制剂均可以结合激活状态和非激活状态的KRAS(G12D),弥补了KRAS(G12C)共价抑制剂不能结合激活状态KRAS的不足。更为重要的是,在KRAS家族蛋白和突变体中,抑制剂分子选择性地结合突变体KRAS(G12D),并在肿瘤细胞模型和动物模型中展现出了良好的抑制活性和抗癌活性。虽然抑制剂目前仍有“脱靶效应”等不足,但是总体来说,研究结果验证了盐桥介导的靶向KRAS(G12D)抑制剂开发策略,有望打破其“不可成药”的魔咒,有助于今后针对KRAS(G12D)的药物研发,同时为相似策略推广到其他small GTPase蛋白提供参考。

据悉,郭瑞庭教授团队长期从事药物靶点、高分子生物降解酶,以及新型萜类合成酶的结构解析与机理探讨的研究,在Nature Catalysis、Immunity、JACSAngewandte ChemieNature CommunicationsACS Catalysis等国际知名期刊上发表多篇高水平文章,研究工作得到国家重大专项、国家自然科学基金和湖北省创新群体等基金的支持。

论文连接:https://doi.org/10.1038/s41421-021-00368-w

(审稿:谢玉平)


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