控制KRAS：揭示關(guān)鍵癌癥蛋白的變構(gòu)位點(diǎn)

研究人員在基因組調(diào)控中心和威康薩克研究所利用深度突變掃描技術(shù)全面識別了蛋白質(zhì)KRAS中的變構(gòu)控制位點(diǎn)，該蛋白質(zhì)是許多類型的癌癥中最常見的突變基因之一?？茖W(xué)家們使用深度突變掃描技術(shù)來量化超過26,000個突變對KRAS的折疊和其與六個相互作用伙伴結(jié)合的影響。

KRAS的變構(gòu)控制位點(diǎn)代表著潛在的藥物開發(fā)關(guān)鍵靶點(diǎn)，新的發(fā)現(xiàn)可能指出了可以利用來控制這一重要癌癥原因的脆弱性。研究人員表示，他們的研究還呈現(xiàn)出了任何蛋白質(zhì)的首個完整控制圖。

研究團(tuán)隊(duì)的高級作者本·萊納（Ben Lehner）博士在基因組調(diào)控中心和威康薩克研究所擔(dān)任ICREA研究教授，他說：“醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的大挑戰(zhàn)不是知道哪些蛋白質(zhì)引起疾病，而是不知道如何控制它們。我們的研究代表了一種新的策略，可以針對這些蛋白質(zhì)，加速藥物的開發(fā)，以控制其活性。瞄準(zhǔn)變構(gòu)位點(diǎn)的性質(zhì)意味著由此產(chǎn)生的藥物可能比我們現(xiàn)在擁有的藥物更安全、更有效?！?/strong>

萊納是該研究團(tuán)隊(duì)在自然雜志上發(fā)表的題為“KRAS抑制的能量和變構(gòu)景觀”的論文的高級作者。在他們的論文中，團(tuán)隊(duì)表示：“我們在這里首次呈現(xiàn)了任何蛋白質(zhì)的抑制性變構(gòu)位點(diǎn)的全球地圖，以及突變對蛋白質(zhì)與多個相互作用伙伴的自由結(jié)合能的影響的首個全面比較圖譜。這個數(shù)據(jù)集包括了超過22,000個自由能測量，對于蛋白質(zhì)生物物理學(xué)和計算生物學(xué)來說是一個豐富的資源。”

GTP酶KRas（KRAS）在人類癌癥中突變率為10%，包括約90%的胰腺腺癌、約40%的結(jié)腸直腸腺癌和35%的肺腺癌，作者解釋說。1982年發(fā)現(xiàn)，KRAS也被稱為“死星”蛋白，因其球形形狀和缺乏良好的靶點(diǎn)而聞名。因此，這種蛋白質(zhì)一直被認(rèn)為無法藥物靶向。

控制KRAS的唯一有效策略是通過靶向其變構(gòu)通信系統(tǒng)。作者進(jìn)一步解釋說：“KRAS作為一個原型分子開關(guān)，在不活動的GDP結(jié)合和活動的GTP結(jié)合狀態(tài)之間循環(huán)?！盞RAS在GTP結(jié)合時的構(gòu)象和活性的改變是變構(gòu)的一個例子，實(shí)際上是“在蛋白質(zhì)中從一個位點(diǎn)傳遞信息到另一個位點(diǎn)的遠(yuǎn)程信息傳遞”。

KRAS的變構(gòu)系統(tǒng)起到分子信號的作用，通過遠(yuǎn)程控制的鎖和鑰匙機(jī)制工作。要控制蛋白質(zhì)，需要一把可以打開鎖（活性位點(diǎn)）的鑰匙（化學(xué)化合物或藥物）。蛋白質(zhì)也可以受到次要鎖（變構(gòu)位點(diǎn)）的影響，次要鎖位于其表面的其他位置。當(dāng)分子結(jié)合到變構(gòu)位點(diǎn)時，它會導(dǎo)致蛋白質(zhì)形狀的改變，這可以改變蛋白質(zhì)的活性或其與其他分子的結(jié)合能力，例如通過改變其主鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

變構(gòu)位點(diǎn)通常更適合藥物開發(fā)，因?yàn)樗鼈兲峁└叩奶禺愋裕瑴p少了副作用的可能性。它們還可以更細(xì)微地改變蛋白質(zhì)的活性，提供了調(diào)節(jié)其功能的潛力。與靶向活性位點(diǎn)的藥物相比，靶向變構(gòu)位點(diǎn)的藥物通常更安全、更有效。

然而，變構(gòu)位點(diǎn)非常難以捉摸。盡管有四十年的研究、數(shù)以萬計的科學(xué)出版物和三百多個已發(fā)表的KRAS結(jié)構(gòu)，但只有兩種藥物已經(jīng)獲得了臨床批準(zhǔn)——索托拉西布和阿達(dá)格拉西布。這些藥物通過附著到活性位點(diǎn)旁邊的一個口袋上，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)發(fā)生變構(gòu)構(gòu)象改變，從而防止其被激活。正如作者所評論的那樣，“對于許多重要的醫(yī)學(xué)蛋白質(zhì)來說，開發(fā)針對KRAS的治療方法受到了信息不足的限制，缺乏可以靶向的抑制性變構(gòu)位點(diǎn)的信息。”

生成變構(gòu)位點(diǎn)圖譜的能力可以極大地加速藥物開發(fā)，尤其是對于許多人類蛋白質(zhì)來說，由于缺乏合適的活性位點(diǎn)或因其通過難以抑制的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用界面而被認(rèn)為是難以藥物靶向的。然而，正如研究人員進(jìn)一步指出的，任何致癌蛋白質(zhì)、疾病靶點(diǎn)或任何物種的完整蛋白質(zhì)的全面變構(gòu)位點(diǎn)圖譜都尚未生成。

對于他們新報告的研究，團(tuán)隊(duì)使用了深度突變掃描技術(shù)來繪制KRAS的變構(gòu)位點(diǎn)。這涉及創(chuàng)建超過26,000種不同的KRAS蛋白質(zhì)變體，每次僅更改一個或兩個氨基酸。他們寫道：“總共，這個文庫包括了超過26,500個KRAS變體，包括超過3,200個單一氨基酸替代和超過23,300個雙氨基酸替代。”團(tuán)隊(duì)檢查了這些不同的KRAS變體與其他六種蛋白質(zhì)的結(jié)合，其中包括對于KRAS引發(fā)癌癥至關(guān)重要的蛋白質(zhì)。他們首先專注于量化KRAS變體與致癌蛋白質(zhì)效應(yīng)子RAF1的結(jié)合，然后使用人工智能軟件分析數(shù)據(jù)，檢測變構(gòu)并確定已知和新治療靶點(diǎn)的位置。這一技術(shù)揭示了KRAS擁有比預(yù)期更多的強(qiáng)烈變構(gòu)位點(diǎn)。這些位點(diǎn)的突變抑制了蛋白質(zhì)與其所有三個主要伙伴的結(jié)合，這表明廣泛抑制KRAS的活性是可能的。其中一些位點(diǎn)特別有趣，因?yàn)樗鼈兾挥诘鞍踪|(zhì)表面的四個不同結(jié)構(gòu)口袋中，容易訪問，并代表未來藥物的有希望的靶點(diǎn)。

研究人員強(qiáng)調(diào)其中一個口袋，“口袋3”，尤其有趣。他們承認(rèn)，這個口袋遠(yuǎn)離了KRAS的活性位點(diǎn)，因此在治療開發(fā)中之前幾乎沒有受到足夠關(guān)注?！叭欢?，我們的數(shù)據(jù)顯示，口袋3是變構(gòu)活性的，其中口袋3的6個殘基的20個突變抑制了其與RAF1的結(jié)合?！?/p>

研究人員還發(fā)現(xiàn)，對KRAS進(jìn)行微小的改變可以大幅改變其與伙伴的相互作用，使蛋白質(zhì)更傾向于某一種伙伴而不是其他伙伴。這具有重要意義，因?yàn)樗梢詫?dǎo)致控制KRAS異?；钚缘男虏呗裕粫恋K其在非癌細(xì)胞組織中的正常功能。保留正常版本的KRAS意味著副作用更少，治療更安全、更有效。研究人員還可以利用這些知識進(jìn)一步探討KRAS在不同情景下的生物學(xué)行為，這可能是確定其在不同癌癥類型中的作用的關(guān)鍵。

研究合著者、基因組調(diào)控中心的研究員André Faure博士進(jìn)一步指出：“幾十年來，因?yàn)槿狈Υ笠?guī)模識別變構(gòu)位點(diǎn)的工具，我們一直在尋找靶向藥物位點(diǎn)。在這項(xiàng)研究中，我們展示了一種新方法，可以系統(tǒng)地為整個蛋白質(zhì)繪制變構(gòu)位點(diǎn)。從藥物發(fā)現(xiàn)的角度來看，這就像打開了燈，揭示了我們可以控制蛋白質(zhì)的多種方式?！?/p>

這項(xiàng)研究為任何物種中任何完整蛋白質(zhì)的變構(gòu)位點(diǎn)提供了首個完整地圖。研究還表明，通過使用合適的工具和技術(shù)，可能會揭示出許多歷來被認(rèn)為是“難以藥物靶向”的重要醫(yī)學(xué)蛋白質(zhì)的新的脆弱性。

研究團(tuán)隊(duì)指出：“在這里呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)以及其他近期研究中的數(shù)據(jù)顯示，變構(gòu)位點(diǎn)比廣泛認(rèn)知的要普遍得多?！彼麄冞M(jìn)一步表示：“而且，我們在這里應(yīng)用于KRAS的方法相當(dāng)通用，可以用來識別許多不同蛋白質(zhì)中的變構(gòu)位點(diǎn)?！毖芯咳藛T認(rèn)為，使用他們的通用策略將有可能系統(tǒng)地繪制出許多重要蛋白質(zhì)中的調(diào)控位點(diǎn)?！袄L制變構(gòu)位點(diǎn)在藥物開發(fā)中可能會起到越來越重要的作用，為治療以前被認(rèn)為是‘難以藥物靶向’的蛋白質(zhì)奠定了基礎(chǔ)，”他們總結(jié)道。

該研究的第一作者，基因組調(diào)控中心的博士后研究員翁晨春解釋說：“我們方法的獨(dú)特之處在于其可擴(kuò)展性。僅在這項(xiàng)工作中，我們進(jìn)行了超過22,000次生物物理測量，與我們在利用DNA測序和合成方法方面取得的巨大進(jìn)展之前所有蛋白質(zhì)的測量數(shù)量相似。這是一次巨大的加速，展示了這種方法的潛力和威力?！?/p>