Nature：重大进展！新研究揭示在癌症中经常发生突变的KRAS蛋白的秘密弱点

在一项新的研究中，来自西班牙巴塞罗那基因组调控中心和英国维康桑格研究所的研究人员全面确定了蛋白 KRAS 中的变构位点（allosteric site）。这些位点是药物开发中备受追捧的靶点，代表着可被利用来控制癌症最重要病因之一的影响的秘密弱点。他们首次提出了任何蛋白的完整控制图谱。相关研究结果于2023年12月18日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“The energetic and allosteric landscape for KRAS inhibition”。

KRAS 是多种类型癌症中最常见发生突变的基因之一。每十种人类癌症中就有一种存在这种基因突变，在胰腺癌或肺癌等致命癌症中的发生率更高。它被称为“死亡之星（Death Star）”蛋白，因为它呈球形，缺乏利用药物加以靶向的良好位点。因此，自 1982 年首次发现 KRAS 以来，它一直被认为是“无药可靶向的（undruggable）”。

控制 KRAS 的唯一有效策略是靶向它的变构通讯系统。这些分子信号通过遥控锁-钥机制发挥作用。要控制一种蛋白，需要一把能打开主锁（活性位点）的钥匙（化合物或药物）。蛋白还可以受到位于其表面其他部位的辅助锁（变构位点）的影响。

当一种分子与蛋白的变构位点结合时，会导致该蛋白的形状发生变化，从而改变该蛋白的活性或与其他分子结合的能力，比如通过改变主锁（main lock）的内部结构。

变构位点通常是药物开发的首选，因为它们具有更强的特异性，降低了产生副作用的可能性。它们还能更巧妙地改变蛋白的活性，为微调它的功能提供了可能。与靶向蛋白活性位点的药物相比，靶向变构位点的药物通常更安全、更有效。

然而，变构位点非常难以捉摸。尽管经过四十年的研究，发表了数以万计的科学论文，并公布了三百多个 KRAS 结构，但只有两种药物获准用于临床---索托拉西布（sotorasib）和阿达格拉西布（adagrasib）。这两种药物的作用原理是附着在活性位点附近的一个口袋中，诱导蛋白发生变构构象变化，从而阻止它被激活。

论文共同作者、巴塞罗那基因组调控中心的Andre J. Faure博士说，“人们花了几十年的时间才研制出针对 KRAS 的有效药物，部分原因是我们缺乏大规模识别它的变构位点的工具，这意味着我们只能在黑暗中寻找治疗靶点。在这项新的研究中，我们展示了一种新方法，它可以系统地绘制整个蛋白的变构位点。”

更安全、更有效药物的四种有前景的靶点

这些作者使用了一种叫做深度突变扫描（deep mutational scanning）的技术，绘制了这些变构位点的图谱。该技术涉及对KRAS蛋白进行26000多次变异，每次只改变一到两个构成单元（氨基酸）。他们探究了这些不同的KRAS变异如何与其他六种蛋白结合，包括那些对KRAS致癌至关重要的蛋白。他们使用人工智能软件分析这些数据，检测变构位点，并确定已知和新的治疗靶点所在的位置。

论文第一作者、巴塞罗那基因组调控中心博士后研究员Chenchun Weng解释说，“我们的方法的独特卖点在于它的可扩展性。仅在这项新的研究中，我们就进行了 22,000 多次生物物理测量，与我们开始利用 DNA 测序和合成方法方面的巨大进步之前对所有蛋白进行的测量总数相近。这是一个巨大的进步，展示了这种方法的力量和潜力。”

这种技术揭示了 KRAS 具有比预期更多的强变构位点。这些位点的突变抑制了这种蛋白与其所有三种主要分子搭档之间的结合，表明广泛抑制KRAS的活性是可能的。这些位点中的一部分特别有趣，因为它们位于这种蛋白表面上容易访问到的四个不同口袋中，是未来用于开发新药物的有前景的靶点。

这些作者特别强调了一个特别有趣的口袋---“口袋3”。这个口袋远离 KRAS 的活性位点，因此以前很少受到制药公司的关注。

这些作者还发现，KRAS中的微小变化就能极大地改变它与它的分子搭档之间的行为，使这种蛋白更喜欢其中的一种分子搭档而不是另一种分子搭档。这具有重要的意义，因为它可能带来新的策略：既能控制 KRAS 的异常活性，又不会妨碍它在非癌症组织中的正常功能。

放过正常版本的 KRAS 意味着更少的副作用，以及更安全、更有效的治疗。人们还可能利用这些知识进一步深入研究KRAS的生物学特性，解释这种蛋白在多种情况下的表现，这可能是确定它在不同癌症类型中作用的关键。

利用药物靶向“无药可靶向的”变构位点的新蓝图

这项新研究首次为任何物种的任何完整蛋白提供了完整的变构位点图谱。它表明，利用正确的工具和技术（比如他们用来绘制KRAS图谱的工具和技术），可以发现许多不同的具有重要医学价值的历来被认为是无药可靶向的蛋白的新弱点。

论文通讯作者、巴塞罗那基因组调控中心的Ben Lehner 博士总结说，“医学界面临的巨大挑战不是知道哪些蛋白会导致疾病，而是不知道如何控制它们。我们的研究代表了一种新策略，可以靶向这些蛋白并加快开发控制其活性的药物。靶向变构位点的性质意味着，由此产生的药物很可能比我们现有的药物更安全、更有效。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Chenchun Weng et al. The energetic and allosteric landscape for KRAS inhibition. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06954-0.

Secret Vulnerabilities of Cancer’s ‘Death Star’ Revealed
https://www.crg.eu/en/news/secret-vulnerabilities-cancers-death-star-revealed