Nature重大突破:靶向“无药可及”的癌症基因

【字体: 时间:2013年11月22日 来源:生物通

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  现在,来自加州大学旧金山分校霍华德休斯医学研究所(HHMI)的研究人员,鉴别并利用了K-Ras一个新发现的“阿喀琉斯之踵”(Achilles heel)。这一薄弱点就是HHMI研究人员Kevan M. Shokat和同事们在K-Ras上新发现的一个 “口袋”(结合位点)。

  

生物通报道  在药物设计领域,K-Ras蛋白是一个传奇。作为人类癌症中最常见的突变癌基因,30多年来它一直位列在所有研究人员的“靶点”清单上。尽管如此的高调,由于许多的制药、生物技术公司和高校实验室都未能设计出一种能够成功靶向这一突变基因的药物,在科学界里K-Ras被视作是“无药可及”的靶点。
 
现在,来自加州大学旧金山分校霍华德休斯医学研究所(HHMI)的研究人员,鉴别并利用了K-Ras一个新发现的“阿喀琉斯之踵”(Achilles heel)。这一薄弱点就是HHMI研究人员Kevan M. Shokat和同事们在K-Ras上新发现的一个 “口袋”(结合位点)。Shokat和他的研究小组设计出了一种化合物,证实它可以进入到这一口袋里,抑制突变K-Ras的正常活性,但不会影响正常的蛋白。

Shokat 说:“人们将K-Ras视作是癌症中最重要的癌基因,并广泛认为它‘无药可及’。我们报告称发现了K-Ras上一个药物可及的新口袋。我们相信这对于患者将具有真正的转化意义。”

在发表于11月20日《自然》(Nature)杂志上的一篇研究论文中,Shokat研究小组描述了一种新型的化合物,其能够进入到K-Ras上一个从前未知的口袋中,干扰该酶的功能。Ras蛋白是一种在细胞内负责传送信号的小GTPase。由于它们在细胞生长和存活中发挥核心作用,对于细胞至关重要。

Ras这一名称也用于指代编码这些蛋白质的基因家族。其中的一个基因K-Ras大约30年前被发现,在30%的人类肿瘤,包括90%的胰腺癌、40%的结肠癌和20%的非小细胞肺癌中存在突变。携带Ras突变的癌症具有侵袭性,对标准治疗反应不佳。

尽管靶向突变Ras基因的研究工作一直遭受挫折,美国国家癌症研究所(NCI)近日强调将继续重视这一难对付的药物靶点,并宣布了一项1000万美元的RAS计划。这项计划将汇集研究人员共同开发阻断Ras的新思路,以激励研发出新药或新疗法让癌症患者受益。

Shokat的HHMI研究小组在大约6年前开始启动对Ras的研究工作。利用他们的化学专业知识,Shokat和两个研究小组成员:博士后研究人员Ulf Peters以及博士生Jonathan Ostrem拟定了一些早期的想法:研发一类新的Ras突变体抑制药物。“其中一些早期的策略行不通,”他说。

“我们不得不开发出一种新的筛选方法,其最终推动研发出了这一新抑制剂。”Shokat说当确定了他们的攻击范围时他们做了一些不一样的事情。他们将焦点缩小,专注于其他科学家们没有采用的策略。他们还选择了研究一种叫做G12C的K-Ras突变体,这种K-Ras突变体广泛存在于大约7%的肺癌患者中。

这一突变使得K-Ras蛋白中第12位的甘氨酸被半胱氨酸所替代。重要的是,这一半胱氨酸处在对Ras正常功能至关重要的一个位置。偏离从前的研究工作,Shokat和同事们没有试图靶向天冬氨酸和缬氨酸突变的Ras版本——这些突变相对常见,因此过去许多的科学家们都将焦点放在这些突变上。反之,他们挑选出了G12C突变体,因为这些Ras突变体影响了大批的肺癌和结直肠癌患者。

Shokat说,这一半胱氨酸所赋予的一些化学特性,为他的研究小组提供了一个独特的药物设计把柄。在20种天然氨基酸中半胱氨酸具有一种独特的能力:可以形成共价键。通常两个半胱氨酸之间形成共价键起稳定蛋白质结构的作用,但如果存在游离半胱氨酸,就如同G12C K-Ras,一种特别设计的药物就可以与这一半胱氨酸形成共价键。

Shokat说:“其他人一直认为他们必须去追逐所有的Ras突变体。我们寻找的是别人没有做过的,我们挑选出这一特殊突变是因为它的一些化学特性。”

在三年的时间里,该研究小组对500多个化合物进行了初步筛查,看看他们能否鉴别出一个可以与K-Ras G12C共价结合和“连接”的化合物。他们的研究导致鉴别出了一种有效的K-Ras抑制剂。为了获得这一化合物与K-Ras互作机制的更好图像,科学家们解析了这一化合物与K-Ras结合的晶体结构。

当他们检测数据时,Shokat和研究小组发现在靠近这一半胱氨酸残基的K-Ras蛋白表面上有一个之前从未描述过的口袋。Shokat说:“这个口袋是新发现的,此前从未有人找到它。”

通过进一步的调查,他们发现化合物是通过改变Ras与底物GTP的自然亲和力从而对其形成干扰的。“其中最重要的一个方面就是这一小分子只抑制突变K-Ras,而不影响正常蛋白,”Shokat说。

接下来的工作包括:继续优化这一化合物,进一步测试了解这一化合物在多大程度上能够杀死具有G12C突变的细胞。Shokat说他和同事们成立了一家叫做Araxes Pharma, LLC的公司,与强生的下属部门Janssen Biotech建立了合作关系,以开发出有潜力应用于临床的化合物。

(生物通:瑄瑄)

生物通推荐原文摘要:

K-Ras(G12C) inhibitors allosterically control GTP affinity and effector interactions

Somatic mutations in the small GTPase K-Ras are the most common activating lesions found in human cancer, and are generally associated with poor response to standard therapies1, 2, 3. Efforts to target this oncogene directly have faced difficulties owing to its picomolar affinity for GTP/GDP4 and the absence of known allosteric regulatory sites. Oncogenic mutations result in functional activation of Ras family proteins by impairing GTP hydrolysis5, 6. With diminished regulation by GTPase activity, the nucleotide state of Ras becomes more dependent on relative nucleotide affinity and concentration. This gives GTP an advantage over GDP7 and increases the proportion of active GTP-bound Ras. Here we report the development of small molecules that irreversibly bind to a common oncogenic mutant, K-Ras(G12C). These compounds rely on the mutant cysteine for binding and therefore do not affect the wild-type protein. Crystallographic studies reveal the formation of a new pocket that is not apparent in previous structures of Ras, beneath the effector binding switch-II region. Binding of these inhibitors to K-Ras(G12C) disrupts both switch-I and switch-II, subverting the native nucleotide preference to favour GDP over GTP and impairing binding to Raf. Our data provide structure-based validation of a new allosteric regulatory site on Ras that is targetable in a mutant-specific manner.

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