Nature：癌蛋白KRAS的关键变构位点

　　研究人员全面绘制了KRAS的变构控制位点，KRAS是许多类型癌症中最常见的突变蛋白之一。这一发现可能指出了可以用于治疗的弱点。研究人员说，这项研究还首次展示了任何蛋白质的完整控制图谱，并建议绘制变构位点可能在药物开发中发挥越来越重要的作用，为治疗靶向以前被认为是不可药物的蛋白质奠定基础。

　　

基因组调控中心和威康桑格研究所的研究人员已经全面确定了在KRAS蛋白中发现的变构控制位点，KRAS是许多类型癌症中最常见的突变基因之一。科学家们使用了一种被称为深度突变扫描的技术来量化超过26,000个突变对KRAS折叠及其与六个相互作用伙伴的结合的影响。

KRAS变构控制位点代表了药物开发的潜在关键靶点，新发现可能指出了控制这一重要癌症原因影响的脆弱性。研究人员表示，他们的研究还首次展示了任何蛋白质的完整控制图谱。

GTPase KRas (KRAS)在十分之一的人类癌症中发生突变，包括约90%的胰腺腺癌，约40%的结肠直肠腺癌和35%的肺腺癌。发现于1982年的KRAS蛋白也被称为“死星”蛋白，因为它呈球形且缺乏药物靶向的良好位点。由于这个原因，这种蛋白质一直被认为是不可药物的。

控制KRAS的唯一有效策略是瞄准其变构通信系统。KRAS作为一种典型的分子开关，在不活跃的GDP结合状态和活跃的gtp结合状态之间循环，这种KRAS在GTP结合上的构象和活性的改变是变构的一个例子，它实际上是蛋白质中信息从一个位点到另一个位点的远程传输。

KRAS变构系统的功能是通过遥控锁和钥匙机制发挥分子信号的作用。为了控制蛋白质，你需要一把钥匙(一种化合物或药物)来打开锁(活性位点)。蛋白质也可以受到位于其表面其他地方的二级锁(变构位点)的影响。当一个分子与变构位点结合时，它会引起蛋白质形状的改变，从而改变蛋白质的活性或与其他分子结合的能力，例如，通过改变其主锁的内部结构。

变构位点通常是药物开发的首选，因为它们提供了更大的特异性，减少了副作用的可能性。它们还可以更微妙地改变蛋白质的活性，为微调其功能提供了可能。与靶向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，变构位点是非常难以捉摸的。尽管经过40年的研究，数以万计的科学出版物，以及超过300种KRAS结构的发表，只有两种药物被批准用于临床使用——sotorasib和adagrasib。药物的作用是附着在活性位点附近的一个口袋上，引起蛋白质的变构构象变化，阻止它被激活。正如作者所评论的那样，对于许多医学上重要的蛋白质，由于缺乏抑制变构位点的信息，针对KRAS的治疗方法的发展受到限制。

生成变构位点图谱的能力可以极大地加速药物的开发，特别是对于许多由于缺乏适当的活性位点或因为它们通过难以抑制的蛋白-蛋白相互作用界面起作用而被认为是不可药物的人类蛋白质。然而，正如研究人员进一步指出的那样，尚未生成任何物种中任何癌蛋白、疾病靶点或完整蛋白的变构位点的综合图谱。

“医学上最大的挑战是不知道哪些蛋白质导致疾病，但不知道如何控制它们，”ICREA研究教授Ben Lehner博士说，他是基因组调控中心和威康桑格研究所的研究员。“我们的研究代表了一种针对这些蛋白质的新策略，并加速了控制它们活性的药物的开发。靶向变构部位的性质意味着，由此产生的药物可能比我们现在使用的药物更安全、更有效。”

Lehner是该团队在《Nature》杂志上发表的题为《The energetic and allosteric landscape for KRAS inhibition》的论文的资深作者。在他们的论文中，研究小组表示:“我们在这里展示了任何蛋白质抑制变构位点的第一张全球地图，以及突变对蛋白质与多个相互作用伙伴结合的自由能影响的第一张综合比较地图。”该数据集包含超过22,000个自由能测量值，是蛋白质生物物理学和计算生物学的丰富资源。”

在他们最新报告的研究中，研究小组通过使用一种称为深度突变扫描的技术绘制了KRAS变构位点。它涉及创造超过26000种KRAS蛋白的变体，每次只改变一到两个氨基酸(aa)。这个文库包含了> 26500个KRAS变体，包括> 3200个单aa替换和> 23300个双aa替换。研究小组检查了这些不同的KRAS变异是如何与其他六种蛋白质结合的，包括那些对KRAS致癌至关重要的蛋白质。

“我们量化了超过26,000种KRAS变体与六个相互作用伙伴的结合:三个KRAS效应蛋白RAF1, PIK3CG和RALGDS, GEF SOS1和两个DARPins, K27和K55，分别选择与GDP和GTP结合的KRAS结合的合成抗体样分子。”首先专注于量化KRAS变体与癌蛋白效应物RAF1的RAS结合结构域(RBD)的结合。然后，研究人员使用人工智能软件分析数据，检测变异体，并确定已知和新的治疗靶点的位置。

该技术显示KRAS具有比预期更多的强变构位点。这些位点的突变抑制了该蛋白与其所有三个主要伙伴的结合，这表明广泛抑制KRAS的活性是可能的。这些位点的一个子集特别有趣，因为它们位于蛋白质表面易于接近的四个不同结构口袋中，并且代表了未来药物的有希望的靶点。

科学家们注意到，这些发现证实了KRAS的所有四个表面口袋都具有变构活性，所有口袋中的扰动对RAF1结合有很大的抑制作用。这有力地证明了开发针对这四个口袋的分子作为潜在的KRAS抑制剂的必要性。作者特别强调了其中一个口袋，“口袋3”特别有趣。这个口袋距离KRAS的活性部位很远，因此以前很少受到治疗发展的关注。“然而，我们的数据显示，口袋3具有变构活性，在口袋3的6个残基中有20个突变，抑制了与RAF1的结合。”

研究人员还发现，KRAS的微小变化可以极大地改变它对伴侣的行为，使这种蛋白质更喜欢另一种。这具有重要的意义，因为它可能导致新的策略来控制KRAS的异常活性，而不妨碍其在非癌组织中的正常功能。保留正常版本的KRAS意味着更少的副作用，更安全，更有效的治疗。研究人员还可以利用这些知识进一步深入研究KRAS的生物学，并解释这种蛋白质在各种情况下的行为，这可能是确定其在不同癌症类型中的作用的关键。

该研究的合著者、基因组调控中心的研究人员André Faure博士进一步指出:“生产一种针对KRAS的有效药物花了几十年的时间，部分原因是我们缺乏大规模识别变弹性位点的工具，这意味着我们一直在黑暗中寻找治疗靶点。在这项研究中，我们展示了一种新的方法，可以系统地绘制整个蛋白质的变构位点。对于药物发现的目的来说，这就像打开灯，揭示出我们可以控制蛋白质的许多方法。”

该研究首次提供了任何物种中任何完整蛋白质的变构位点的完整图谱。该研究还表明，通过正确的工具和技术，有可能发现许多不同的医学上重要的蛋白质的新漏洞，这些蛋白质在历史上被认为是“不可药物的”。

“这里提供的数据和最近的其他研究表明，变构位点比人们普遍认为的要普遍得多，”研究小组说。“此外，我们在这里应用于KRAS的方法非常通用，可用于识别许多不同蛋白质中的变构位点。”研究人员相信，利用他们的总体策略，将有可能系统地绘制出许多重要蛋白质的调控位点。绘制变构位点可能在药物开发中发挥越来越重要的作用，为以前被认为是‘不可药物’的治疗靶向蛋白质奠定基础。

“我们方法的独特卖点是它的可扩展性，”第一作者、基因组调控中心博士后Chenchun Weng博士解释说。“仅在这项工作中，我们就进行了超过22,000次生物物理测量，与我们开始利用DNA测序和合成方法的显着进步之前对所有蛋白质进行的测量数量相似。这是一个巨大的加速，展示了这种方法的力量和潜力。”