「搭」鹽橋，打破癌症之王關鍵靶標「不可成藥」魔咒
2022-02-10 09:19 作者：dl001 來源：科技日報 閱覽：
KRAS基因結構處的蛋白體積小、表面光滑，像一個閃亮光滑的小球，缺乏傳統小分子藥物可以結合的「深口袋」結構，一度被藥學界公認為是「不可成藥」的靶標。
胰腺癌是一種惡性程度極高的消化系統腫瘤，也是實體瘤中致死率最高的癌症類型之一。胰腺癌由於難診斷難治療，也被稱為「癌症之王」。
胰腺癌的一個重要特點是約95%的腫瘤中攜帶著KRAS基因突變，它是最為依賴KRAS基因突變的腫瘤類型之一。其中，KRAS基因突變上的G12D點位激活突變最為普遍。開發有效的KRAS-G12D抑製劑，是胰腺癌臨床藥物治療的迫切需求。
日前，清華大學藥學院張永輝教授和湖北大學生命科學學院郭瑞庭教授團隊聯合開發了一款靶向KRAS-G12D的長效抑製劑TH-Z835，並通過晶體學研究揭示了其獨特的雙態靶向結構基礎。其研究成果近日線上發表于學術期刊《細胞發現》上。
KRAS基因通常「無藥可靶」
論文通訊作者張永輝說：「我們在藥物研發時，會仔細觀察靶標蛋白的結構，尋找能結合兩個關鍵位點的化合物。具有『深口袋』結構的靶標蛋白是比較理想的，這樣藥物就可以進入其中，並與多個位點結合，從而發揮藥效。但KRAS基因結構處的蛋白體積小、表面光滑，像一個閃亮光滑的小球，缺乏傳統小分子藥物可以結合的『深口袋』結構，一度被藥學界公認為是『不可成藥』的靶標。此外，它在激活狀態下與三磷酸腺苷GTP結合緊密，這增加了抑制激活的KRAS的難度。」
安進公司近期開發了針對KRAS-G12C的抑製劑，可以共價結合突變體第12位半胱氨酸C12，目前已經獲得美國食品和藥物管理局批准。
然而，胰腺癌常見的致癌性KRAS-G12D突變體的抑製劑研發卻一直進展不佳。最近的研究探索了多種靶向KRAS-G12D的方法，包括靶向開關I%2FII 口袋的吲哚基小分子、靶向P110位點的化合物KAL-21404358、靶向A59位點的泛RAS抑製劑化合物3144和靶向KRAS-G12D活性狀態的環肽KD2。
然而，這些分子都不能有效靶向KRAS-G12D。因此，如何打破KRAS-G12D「不可成藥」的魔咒，是科學家一直探索的問題。
造一座設計精巧的鹽橋
「我們仔細研究了KRAS-G12D的晶體結構，發現突變體第12位天冬氨酸的羧酸基團在生理條件下脫去質子後帶有負電荷，因此我們通過在抑製劑中引入鹼性的、帶正電荷的基團與突變體的羧酸形成正、負電荷相互吸引的鹽橋。這種正、負電荷之間的強鹽橋相互作用類似於建築結構中的榫卯結構，使蛋白與小分子藥物這兩個構件像榫和卯一樣連接並固定。」張永輝介紹。
KRAS基因結構的蛋白中有一個核苷酸結合位點，可以在非常低的濃度下結合二磷酸鳥苷（GDP）或三磷酸鳥苷（GTP）。其中，與GDP結合時是失效的「不活躍」狀態，而與GTP結合後就呈現出有效的「活躍」狀態。在這兩種狀態轉換時，KRAS的三維結構會發生很大的變化。
「在這項研究中，研究人員發現G12D抑製劑的結合模式與G12C抑製劑是截然不同的，有著獨特的結構作用機制。」論文共同通訊作者郭瑞庭教授介紹，「我們在TH-Z835的晶體結構中觀察到，小分子的烷基氨鹼性側鏈與突變體第12位天冬氨酸之間形成了正、負電荷相互吸引的鹽橋。與此同時，抑製劑分子通過『擠壓』KRAS內部結構形成了一個新的結合『口袋』，小分子結合在這個『口袋』之中，並與周圍多個重要氨基酸形成了關鍵氫鍵作用。」
「因此抑製劑可以有針對性地與KRAS-G12D突變體結合，使KRAS突變蛋白失活，不再向癌細胞發出生長或分裂指令，從而達到靶向抑制癌症的目的。」張永輝說。
這8類人堅持吃早餐，有天大的好處！
胰腺癌是一種惡性程度極高的消化系統腫瘤，也是實體瘤中致死率最高的癌症類型之一。胰腺癌由於難診斷難治療，也被稱為「癌症之王」。
胰腺癌的一個重要特點是約95%的腫瘤中攜帶著KRAS基因突變，它是最為依賴KRAS基因突變的腫瘤類型之一。其中，KRAS基因突變上的G12D點位激活突變最為普遍。開發有效的KRAS-G12D抑製劑，是胰腺癌臨床藥物治療的迫切需求。
日前，清華大學藥學院張永輝教授和湖北大學生命科學學院郭瑞庭教授團隊聯合開發了一款靶向KRAS-G12D的長效抑製劑TH-Z835，並通過晶體學研究揭示了其獨特的雙態靶向結構基礎。其研究成果近日線上發表于學術期刊《細胞發現》上。
KRAS基因通常「無藥可靶」
論文通訊作者張永輝說：「我們在藥物研發時，會仔細觀察靶標蛋白的結構，尋找能結合兩個關鍵位點的化合物。具有『深口袋』結構的靶標蛋白是比較理想的，這樣藥物就可以進入其中，並與多個位點結合，從而發揮藥效。但KRAS基因結構處的蛋白體積小、表面光滑，像一個閃亮光滑的小球，缺乏傳統小分子藥物可以結合的『深口袋』結構，一度被藥學界公認為是『不可成藥』的靶標。此外，它在激活狀態下與三磷酸腺苷GTP結合緊密，這增加了抑制激活的KRAS的難度。」
安進公司近期開發了針對KRAS-G12C的抑製劑，可以共價結合突變體第12位半胱氨酸C12，目前已經獲得美國食品和藥物管理局批准。
然而，胰腺癌常見的致癌性KRAS-G12D突變體的抑製劑研發卻一直進展不佳。最近的研究探索了多種靶向KRAS-G12D的方法，包括靶向開關I%2FII 口袋的吲哚基小分子、靶向P110位點的化合物KAL-21404358、靶向A59位點的泛RAS抑製劑化合物3144和靶向KRAS-G12D活性狀態的環肽KD2。
然而，這些分子都不能有效靶向KRAS-G12D。因此，如何打破KRAS-G12D「不可成藥」的魔咒，是科學家一直探索的問題。
造一座設計精巧的鹽橋
「我們仔細研究了KRAS-G12D的晶體結構，發現突變體第12位天冬氨酸的羧酸基團在生理條件下脫去質子後帶有負電荷，因此我們通過在抑製劑中引入鹼性的、帶正電荷的基團與突變體的羧酸形成正、負電荷相互吸引的鹽橋。這種正、負電荷之間的強鹽橋相互作用類似於建築結構中的榫卯結構，使蛋白與小分子藥物這兩個構件像榫和卯一樣連接並固定。」張永輝介紹。
KRAS基因結構的蛋白中有一個核苷酸結合位點，可以在非常低的濃度下結合二磷酸鳥苷（GDP）或三磷酸鳥苷（GTP）。其中，與GDP結合時是失效的「不活躍」狀態，而與GTP結合後就呈現出有效的「活躍」狀態。在這兩種狀態轉換時，KRAS的三維結構會發生很大的變化。
「在這項研究中，研究人員發現G12D抑製劑的結合模式與G12C抑製劑是截然不同的，有著獨特的結構作用機制。」論文共同通訊作者郭瑞庭教授介紹，「我們在TH-Z835的晶體結構中觀察到，小分子的烷基氨鹼性側鏈與突變體第12位天冬氨酸之間形成了正、負電荷相互吸引的鹽橋。與此同時，抑製劑分子通過『擠壓』KRAS內部結構形成了一個新的結合『口袋』，小分子結合在這個『口袋』之中，並與周圍多個重要氨基酸形成了關鍵氫鍵作用。」
「因此抑製劑可以有針對性地與KRAS-G12D突變體結合，使KRAS突變蛋白失活，不再向癌細胞發出生長或分裂指令，從而達到靶向抑制癌症的目的。」張永輝說。
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