絲裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase, MAPK) 信號通路是哺乳動物細胞中的基本通路，與細胞增殖、分化、凋亡及血管生成等生理活動密切相關，研究表明，MAPK 通路中某些蛋白的異常激活是導致多種癌癥的重要原因，因此，干預該通路可以作為腫瘤治療的策略之一。在本文中，我們將對 MAPK 信號通路與癌癥的關系，以及相關的藥物研究作相關的介紹。
MAPK 是一類絲/蘇氨酸蛋白激酶，目前已鑒定出 6 組成員，分別是細胞外調節蛋白激酶 (extracellular signal-regulated kinase, ERK) 1/2，ERK 3/4， ERK 5，ERK 7/8，Jun 氨基末端激酶 (Jun N-terminal kinase, JNK)1/2/3，p38 ɑ/β/γ(ERK6)/δ。不同 MAPK 與特異的 MAPK 激酶 (MAPKK)，MAPK -激酶-激酶 (MAPKKK) 聯系，形成保守的三級酶促級聯反應 (MAPKKK→MAPKK→MAPK)，上游的信號通過該級聯反應由 MAPK 傳遞至下游的核轉錄因子、細胞骨架蛋白，形成完整的 MAPK 信號通路，最終完成細胞生理活動的調節。在所有 MAPK 通路中，ERK1/2 通路研究得最為深入，與癌癥的關系也最為密切。JNK 通路與 P38 通路在調節細胞的炎癥、凋亡等活動中具有重要作用，激活這兩條通路可以促進癌細胞的凋亡，臨床上應用As?O?治療白血病正是通過活化 JNK 通路實現，諾考達唑和紫杉醇作為化療藥物則通過活化 P38 通路治療癌癥。
MAPK通路
ERK1/2 信號通路在調節細胞的增殖、分化、凋亡、遷移等活動中發揮重要的作用。當外界信號如生長因子、有絲分裂原等與受體結合后，激活受體酪氨酸激酶活性，通過下游銜接蛋白將信號傳遞給小 GTP 酶 Ras，Ras 由 GDP 結合型轉變為 GTP 結合型，激活下游 Raf，活化的 Raf 使 MEK1/2 上的絲氨酸位點磷酸化而激活，后者磷酸化 ERK1/2 上的蘇氨酸和酪氨酸殘基并激活，活化的 ERK1/2 進一步激活核轉錄因子或者胞漿蛋白而產生一系列的變化。在這個過程中，任何一級的蛋白變異都有可能導致癌癥的產生。研究發現，ERK 通路蛋白的突變經常會在癌癥中出現，大約有三分之一的人類腫瘤表達了組成型激活突變的 RAS，大約有 8% 的腫瘤出現了 BRAF 的異常激活。
靶向ERK1/2信號通路的抗癌策略
靶向RAS的藥物開發策略
過去 30 年來，大量研究發現了不同類型腫瘤中 RAS 家族蛋白的高突變率 (KRAS 20%, NRAS 8.0%, HRAS 3.3%)，表明該家族蛋白在癌癥治療中的潛在作用。研究者也探明了 RAS 突變致癌的基本機制，即組成型激活的 RAS 穩定于 GTP 結合的活化狀態，從而使下游通路一直被激活，最終造成細胞的過度增殖。然而由于 RAS 與 GTP 結合的高親和力，靶向抑制 GTP 結合口袋的藥物開發一直是一個巨大的挑戰。RAS 結合于細胞膜是其激活的必要過程，由此提出的一個策略是阻止其向細胞膜的轉移。法尼基轉移酶是催化 RAS 結合于細胞膜的關鍵酶，然而針對此酶開發的抑制劑 (FTIs) 效果并不理想，因為 RAS 與細胞膜的結合同樣可以被香葉基基轉移酶催化。PDEδ 是促進 RAS 正確定位于細胞膜的重要蛋白，有研究報道，靶向此蛋白的抑制劑可有效抑制 KRAS 的致癌信號，然而這種策略能否產生有效的抗癌藥物還有待于觀察。近年來，直接靶向 RAS 的藥物開發又被人們重新提起，基于蛋白結構設計化合物的方法，研究者開發出了一系列 RAS 調節劑。鳥嘌呤交換因子 SOS 可以催化 RAS 由 GDP 結合狀態向 GTP 結合狀態的轉換。利用片段化合物篩選的方法，有兩組研究者得到了能夠與 RAS 結合并干擾其與 SOS 相互作用的化合物。然而，由于這些小分子在 RAS 上的結合口袋比較淺，因此能否通過進一步的優化得到臨床有效的化合物仍然是一個問題。此外，也有研究者通過虛擬篩選的手段對阻斷 RAS-GTP 和 RAF 結合的小分子進行了篩選，并鑒定出一些實際有效的化合物。然而，這些化合物的選擇性以及有效性仍然存疑。KRAS(G12C) 突變是癌癥中的常見突變，有研究者報道了一組結合于該突變蛋白的半胱氨酸反應性抑制劑。他們的研究策略有兩個目標，首先是利用半胱氨酸反應性小分子化合物庫篩選得到與 G12C 微弱結合的小分子，并在此基礎上得到結構優化的小分子，其次是尋找一種作用于突變 RAS 的，具有治療意義的抑制劑。通過對 G12C 與抑制劑結合狀態的結構研究發現，找到的這些半胱氨酸反應性小分子是結合于 RAS 上的新口袋，它位于效應器結合的開關Ⅱ區的下方。這些化合物的結合改變了 RAS 的核苷酸結合偏好，使 GDP 結合優于 GTP 結合，從而使 RAS 處于失活狀態，關閉 RAS 的信號。目前，基于該策略開發的藥物包括Lumakras (sotorasib, AMG510)，Adagrasib (MRTX849) 等均已取得良好的臨床效果。
KRAS(G12C)突變蛋白上半胱氨酸反應性小分子結合口袋
RAF 激酶家族包括 3 種亞型，分別是 ARAF，BRAF 和 CRAF，它們具有高度的同源性和類似的結構域。激酶C端包含有激酶結構域，缺乏 RAS-GTP 時，N 端會與 C 端結合使激酶處于非活性構像。RAS 被激活后，RAS-GTP 與 RAF 的 RAS 結合域結合。RAF 的激活是一個復雜的過程，包括 RAF 的招募，細胞膜上 RAS-RAF 復合物的形成，RAF 上許多陽性和陰性調節位點的磷酸化和去磷酸化，RAF 的同二聚化和異二聚化，但是確切的順序和詳細的細節目前仍不清楚。不過 RAF 抑制劑的作用機制揭示了二聚化是 RAF 發揮催化活性以及 RAF 抑制劑發揮作用的關鍵步驟。CRAF 被認為具有潛在致癌作用的亞型，圍繞它的研究和藥物發展工作也是最早展開的。然而人類癌癥中的 CRAF 突變十分稀少，早期開發的 CRAF 抑制劑主要基于其作為 RAS 效應器的功能。2002 年，研究者在人類腫瘤中發現了大量的 BRAF 突變，研究的焦點也從 CRAF 轉向了 BRAF。相比于 CRAF，BRAF 具有更高的基礎活性。因此，單一突變足以使 BRAF 高度異常激活，而 CRAF 則需要額外的突變才能達到同樣的活性。纈氨酸到谷氨酸的突變（V600E）是最常見的 BRAF 突變，在所有致癌 BRAF 突變中占到了 90% 以上。其他的致癌 BRAF 突變通常聚集于 BRAF 的激活片段或者富含甘氨酸的肽環中。相比于 CRAF 和 BRAF，ARAF 的激酶活性較低，ARAF 突變已經在一小部分肺癌以及來自 Langerhans 細胞組織細胞增生癥患者的樣品種檢測到。獲得批準上市的 RAF 抑制劑——sorafenib，是 CRAF 和廣泛的 BRAF 抑制劑。但一項隨機的臨床Ⅲ期試驗表明，針對攜帶 BRAF(V600E) 突變的轉移性黑色素瘤，sorafenib 并未表現出有效的作用。MEK1 和 MEK2 是密切相關的雙重特異性激酶，介導了生長因子信號從激活 RAF 到 ERK 的傳導。雖然人類腫瘤中很少發現 MEK 激活變異的存在，但由于 MEK 處于通路中 RAS 和 RAF 蛋白的下游，為 RAS 和 RAF 突變導致腫瘤的治療提供了一種新的策略，因此是一個很有吸引力的靶點。目前，已經有選擇性、非 ATP 競爭性的 MEK 變構抑制劑進入臨床發展階段。包括進入臨床的小分子抑制劑 CI-1040（雖然最后由于口服活性和療效等問題并未被批準上市），以及個被 FDA 批準的 MEK1/MEK2 抑制劑 trametinib等。
ERK抑制劑
ERK1 和 ERK2 具有高度一致的氨基酸序列（85%），它們的酪氨酸和蘇氨酸殘基可被 MEK 磷酸化而激活。激活的 ERK 可以調節一系列的細胞活動，包括細胞生殖和生存等。與 RAF 和 MEK 相比，ERK1 及 ERK2 選擇性抑制劑的開發并不理想，一部分原因是早期的假設認為 ERK 僅僅是 MEK 的下游靶標，ERK 抑制劑并不會具備比 MEK 抑制劑更加理想的效果。然而，最近的研究引起了人們開發 ERK 抑制劑的興趣。首先，對于 RAF 和 MEK 抑制劑的研究使人們意識到，靶向同一通路不同組分的抑制劑可以產生復雜多樣的生物學效應。其次，ERK 信號通路不同組分的抑制劑促進的負反饋回路可能顯示出重要的差異。此外，RAF 及 MEK 抑制劑的耐藥性通常會涉及到 ERK 信號通路的恢復，也表明 ERK 抑制劑的潛力。目前，已有 ERK 相繼被報道，包括 SCH772984，BVD-523 及 GDC0994 等。總的來說，MAPK 信號通路尤其是 ERK1/2 通路與癌癥存在密切的聯系，針對通路中關鍵蛋白設計的抗癌小分子也顯示出巨大的潛力，隨著研究的不斷深入，相信在不久的未來將會開發出更多具有顯著效果的小分子抑制劑藥物，向著攻克癌癥的方向更近一步。陶術生物能夠提供 700 多種 MAPK 通路相關的小分子抑制劑，助力 MAPK 通路領域的研究。
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參考資料
[1]Samatar A A , Poulikakos P I . Targeting RAS-ERK signalling in cancer: promises and challenges.[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2014, 13(12):928-42.
[2]FDA Approves First KRAS Inhibitor: Sotorasib. Cancer Discov. 2021 Jun 22. doi: 10.1158/2159-8290.CD-NB2021-0362. Epub ahead of print. PMID: 34158284.
[3]Lanman B A, Allen J R, Allen J G, et al. Discovery of a covalent inhibitor of KRASG12C (AMG 510) for the treatment of solid tumors[J]. Journal of Medicinal Chemistry, 2019.
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