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“搭”盐桥,打破癌症之王关键靶标“不可成药”魔咒

2022年02月09日08:57 来源:科技日报

  KRAS基因结构处的蛋白体积小、表面光滑,像一个闪亮光滑的小球,缺乏传统小分子药物可以结合的“深口袋”结构,一度被药学界公认为是“不可成药”的靶标。

  胰腺癌是一种恶性程度极高的消化系统肿瘤,也是实体瘤中致死率最高的癌症类型之一。胰腺癌由于难诊断难治疗,也被称为“癌症之王”。

  胰腺癌的一个重要特点是约95%的肿瘤中携带着KRAS基因突变,它是最为依赖KRAS基因突变的肿瘤类型之一。其中,KRAS基因突变上的G12D点位激活突变最为普遍。开发有效的KRAS-G12D抑制剂,是胰腺癌临床药物治疗的迫切需求。

  日前,清华大学药学院张永辉教授和湖北大学生命科学学院郭瑞庭教授团队联合开发了一款靶向KRAS-G12D的长效抑制剂TH-Z835,并通过晶体学研究揭示了其独特的双态靶向结构基础。其研究成果近日在线发表于学术期刊《细胞发现》上。

  KRAS基因通常“无药可靶”

  论文通讯作者张永辉说:“我们在药物研发时,会仔细观察靶标蛋白的结构,寻找能结合两个关键位点的化合物。具有‘深口袋’结构的靶标蛋白是比较理想的,这样药物就可以进入其中,并与多个位点结合,从而发挥药效。但KRAS基因结构处的蛋白体积小、表面光滑,像一个闪亮光滑的小球,缺乏传统小分子药物可以结合的‘深口袋’结构,一度被药学界公认为是‘不可成药’的靶标。此外,它在激活状态下与三磷酸腺苷GTP结合紧密,这增加了抑制激活的KRAS的难度。”

  安进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,目前已经获得美国食品和药物管理局批准。

  然而,胰腺癌常见的致癌性KRAS-G12D突变体的抑制剂研发却一直进展不佳。最近的研究探索了多种靶向KRAS-G12D的方法,包括靶向开关I/II 口袋的吲哚基小分子、靶向P110位点的化合物KAL-21404358、靶向A59位点的泛RAS抑制剂化合物3144和靶向KRAS-G12D活性状态的环肽KD2。

  然而,这些分子都不能有效靶向KRAS-G12D。因此,如何打破KRAS-G12D“不可成药”的魔咒,是科学家一直探索的问题。

  造一座设计精巧的盐桥

  “我们仔细研究了KRAS-G12D的晶体结构,发现突变体第12位天冬氨酸的羧酸基团在生理条件下脱去质子后带有负电荷,因此我们通过在抑制剂中引入碱性的、带正电荷的基团与突变体的羧酸形成正、负电荷相互吸引的盐桥。这种正、负电荷之间的强盐桥相互作用类似于建筑结构中的榫卯结构,使蛋白与小分子药物这两个构件像榫和卯一样连接并固定。”张永辉介绍。

  KRAS基因结构的蛋白中有一个核苷酸结合位点,可以在非常低的浓度下结合二磷酸鸟苷(GDP)或三磷酸鸟苷(GTP)。其中,与GDP结合时是失效的“不活跃”状态,而与GTP结合后就呈现出有效的“活跃”状态。在这两种状态转换时,KRAS的三维结构会发生很大的变化。

  “在这项研究中,研究人员发现G12D抑制剂的结合模式与G12C抑制剂是截然不同的,有着独特的结构作用机制。”论文共同通讯作者郭瑞庭教授介绍,“我们在TH-Z835的晶体结构中观察到,小分子的烷基氨碱性侧链与突变体第12位天冬氨酸之间形成了正、负电荷相互吸引的盐桥。与此同时,抑制剂分子通过‘挤压’KRAS内部结构形成了一个新的结合‘口袋’,小分子结合在这个‘口袋’之中,并与周围多个重要氨基酸形成了关键氢键作用。”

  “因此抑制剂可以有针对性地与KRAS-G12D突变体结合,使KRAS突变蛋白失活,不再向癌细胞发出生长或分裂指令,从而达到靶向抑制癌症的目的。”张永辉说。(记者 陈 曦)

(责编:乔业琼、李源)


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