综述：ERK1/2抑制剂的进展：从药物化学视角看其结构与调控

　　本综述系统梳理了细胞外信号调节激酶（ERK1/2）作为抗癌靶点的最新研究进展。文章从结构生物学角度解析了ERK1/2（MAPK3/MAPK1）的独特特征，并详细评述了针对RAS/RAF/MEK/ERK通路异常激活的多种抑制剂（如ulixertinib、MK-8353等）的临床前及临床研究数据。尽管目前尚无ERK抑制剂获FDA批准，但该文为克服现有靶向治疗耐药性提供了重要的药物设计策略和发展方向。

　　

Abstract

丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路——亦称RAS/RAF/MEK/ERK通路——是调控细胞生长、增殖和存活的关键信号级联。该通路的细胞外信号调节激酶（ERK）亚家族于1990年代被鉴定。ERK家族包含多种亚型，其中ERK1（MAPK3）和ERK2（MAPK1）是研究最深入且在MAPK信号传导中发挥核心作用的激酶。ERK信号失调与约40%的人类癌症相关。本综述聚焦于ERK1/2的结构特征及其在MAPK信号级联中的关键作用。尽管具有临床意义，目前尚无ERK抑制剂获得FDA批准。多种化合物（如SCH772984、ulixertinib、CC-90003等）正处于临床前或临床试验阶段。文章还重点讨论了ERK抑制剂设计与合成的最新进展，强调其结构独特性及抑制ERK1/2突变体的潜力，最后展望了ERK1/2抑制剂作为FDA批准抗癌疗法的未来发展方向。

Introduction

癌症以细胞不受控增殖为特征，这种增殖可侵袭周围组织并扩散至远端器官。在正常生理状态下，细胞分裂受严格调控以维持组织稳态。而癌细胞通过逃避凋亡机制导致肿瘤形成与发展。MAPK通路是调控细胞生长、增殖与存活的核心信号通路，其关键组分（RAS、RAF、MEK、ERK）的突变广泛存在于多种癌症中并显著促进肿瘤进展。

MAPK信号通过丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶ERK家族传导，该家族是响应生长因子、激素等细胞外刺激的关键信号转导分子。ERK家族包括ERK1、ERK2、ERK3、ERK5和ERK6，其中ERK1/2是研究最深入且功能最重要的亚型。1993-1995年间，研究证实ERK异常激活与上游RAS和BRAF基因突变导致的细胞增殖失控直接相关。

ERK1/2级联是首个被阐明的MAPK通路，位于Ras下游，通过MAP3K的序贯磷酸化激活。根据模块组成，目前已鉴定出四大主要MAPK级联：ERK1/2、p38 MAPK、JNK和ERK5。这些级联由上游MAP2K激活，其激活段包含保守的Thr-Xaa-Tyr基序，是双磷酸化及完全激活的关键。此外，非典型MAPK（如NLK、ERK3等）虽已被发现，但其调控与功能与传统MAPK存在差异。

由于MAPK/ERK通路调控增殖、分化、凋亡等多种关键细胞过程，其活性受到支架蛋白、磷酸酶亚型及亚细胞定位等多层次精密调控。该通路功能障碍会对细胞及机体健康造成严重危害，其组分过度激活（尤其通过突变或异常信号传导）与众多癌症密切相关。MEK1/2作为上游激酶直接激活位于通路终端的ERK1/2，后者进而磷酸化转录因子等核质底物，诱导控制细胞增殖的早期应答基因快速表达。最终，这些激活蛋白促进下游效应分子表达，触发并调控致癌转化或不受控的细胞增殖。鉴于ERK1/2在通路中的核心地位，抑制其活性为阻断上游信号过度激活导致的病理后果提供了极具前景的策略。

ERK信号失调（常称为ERK通路或ERKp）与约40%的人类癌症相关。这种病理性激活源于ERK通路内核心效应因子或调控元件的遗传改变。鉴于其在恶性肿瘤中的频繁激活，ERK级联已成为开发新型抗癌疗法的重要靶标。

Structural insight of ERK1/2

ERK蛋白家族主要包含ERK1（41 kDa）和ERK2（43 kDa）两种异构体，二者序列同源性高达84%，且功能相似，故常被统称为ERK1/2。尽管高度相似，细微的结构差异仍导致其信号特异性不同。值得注意的是，两者均具有独特的N端和C端延伸，辅助其调控与底物识别功能。ERK1在其N端区域有一个17个氨基酸的插入片段，这与ERK2不同。此外，两者激酶结构域内共享一个常见的31个氨基酸插入片段，这是ERK家族的标志性特征。ERK1由379个氨基酸组成，而ERK2由360个氨基酸组成。

详细的结构分析揭示了ERK1和ERK2蛋白上不同的口袋编号，以及其相应的表面积（?²）、体积（?³）和成药性评分，这些特征为理性药物设计提供了关键的结构基础。

ERK inhibitors in cancer treatment

直接抑制ERK1/2是一种有前景的治疗策略，使其成为MAPK通路中一个潜在的“可成药”靶点。该策略为治疗由RAS或BRAF突变驱动的癌症提供了宝贵替代方案，尤其适用于对RAF和/或MEK抑制剂产生耐药（常因通路再激活所致）的患者。

目前已有越来越多的小分子ERK1/2抑制剂处于不同的临床前和临床研究阶段。

ERK inhibitors under clinical trial

1. BVD-523 (Ulixertinib)：首个进入临床试验的小分子ERK1/2激酶抑制剂。这种口服生物可利用的吡啶-吡咯衍生物目前正被临床研究用于治疗非霍奇金淋巴瘤、急性髓系白血病（AML）、晚期实体瘤和胰腺癌。它是一种强效、选择性、可逆的ATP竞争性ERK1/2抑制剂。

2. MK-8353：通过基于结构的药物设计开发的吲唑-吡咯烷衍生物，是一种可逆、口服生物可利用的ERK1/2抑制剂，具有高激酶选择性和强抑制活性。

3. GDC-0994/Ravoxertinib：一种吡唑氨基嘧啶衍生物，是一种小分子、高选择性、口服生物可利用、可逆的ATP竞争性ERK1/2抑制剂，在临床前模型中显示出良好的体外和体内疗效。

4. Temuterkib (LY3214996)：一种新型、高选择性小分子ERK1/2抑制剂，目前正在进行I期临床试验。临床前研究表明，其间歇给药在RAS突变肺癌异种移植模型中能产生强劲的抗肿瘤活性。

5. CC-90003：一种共价、不可逆的ERK1/2抑制剂，在临床前研究中显示出前景，并进入了I期临床试验。尽管其临床前表现良好，但因最大耐受剂量未能产生可接受的临床结果，其临床开发已被终止。

6. BDBM418230：通过片段药物发现方法发现的氨基嘧啶-异吲哚酮衍生物，是一种强效的双重ERK1/2抑制剂。

7. KO-947：一种强效小分子ERK1/2抑制剂，其对靶点的长停留时间和高细胞结合效力是其显著特征。

8. ASN007：一种有效、靶向的小分子ERK1/2抑制剂，具有长靶点停留时间，在RAS和BRAF突变模型中显示出前景。

9. LTT462：一种正处于临床开发阶段的小分子ERK1/2抑制剂，目前正在进行首次人体I期临床试验，评估其用于具有MAPK通路改变的晚期实体瘤患者的安全性、耐受性和药代动力学。

Recent advancements in ERK inhibitors

1. AZD0364 (Tizaterkib)：一种二氢咪唑并吡嗪酮类化合物，在体外研究中显示出对ERK1/2的强效和选择性抑制。

2. Norathyriol：从中国天然化合物库中筛选出的芒果苷代谢物，作为一种特定的ATP竞争性ERK1/2抑制剂，在预防UVB诱导的非黑色素瘤和黑色素瘤皮肤癌方面展现出潜力。

3. FR180204：一种被鉴定为强效ATP竞争性ERK1/2抑制剂的小分子。

4. 化合物76：利用计算机辅助药物设计（CADD）工具鉴定的ERK1/2抑制剂，其靶向ERK1/2的底物相互作用域而非ATP结合位点。

5. VTX-11e：由Vertex Pharmaceuticals开发的吡唑基-吡咯类化合物，是一种微摩尔级的ERK激酶抑制剂。

6. AEZS-131 & AEZS-136：AEZS-131是一种选择性、口服生物可利用的ATP竞争性ERK抑制剂。AEZS-136也是一种强效的ERK1/2抑制剂，对具有上游MAPK突变（如RAS或BRAF基因）的肿瘤具有潜在疗效。

7. (S)-14k：通过基于结构的药物设计发现的一系列四氢吡啶并嘧啶类ERK1/2拮抗剂中的先导化合物，具有高效力和选择性。

8. 单氟环戊醇：通过聚焦筛选和基于结构的药物设计（SBDD）策略优化四氢吡唑并吡啶支架而发现的化合物，其单氟环戊醇侧链的引入显著降低了人肝微粒体提取率。

9. CC-90003：通过高通量筛选和SBDD发现的选择性、不可逆共价ERK1/2抑制剂。

10. SF-3-030：通过结构相互作用配体同步饱和（SILCS）分析鉴定出的选择性ERK1/2抑制剂，能抑制对临床批准激酶抑制剂耐药的黑色素瘤细胞的生长。

11. DEL-22379：一种3-亚芳基-2-氧吲哚衍生物，作为一种强效和选择性的ERK二聚化抑制剂被发现，它抑制ERK二聚体形成的同时保留ERK激酶催化活性。

12. 化合物 (R)-1-(3-(2-甲基吡啶-4-基)-1H-吡唑并[4,3-c]吡啶-6-基)-3-(1-苯乙基)脲：通过结构-活性关系（SAR）优化发现的新ERK1/2抑制剂，具有改善的配体效率。

13. 化合物 (R)-3-甲基-7-(5-甲基-2-((1-甲基-1H-吡唑-5-基)氨基)嘧啶-4-基)-2-((6-甲基吡啶-2-基)甲基)-3,4-二氢吡咯并[1,2-a]吡嗪-1(2H)-酮：阿斯利康研究人员发现的一类具有内酰胺核的嘧啶基-吡咯烷支架化合物，对ERK1和ERK2表现出强大的双重抑制。

14. 两种ATP非依赖性抑制剂：通过CADD和结构引导筛选发现的两种化合物，能选择性抑制ERK且不依赖ATP竞争，通过破坏对接域的蛋白质-蛋白质相互作用发挥作用。

15. FR148083 & hypothemycin：FR148083是一种从发酵液中分离得到的苯并氧杂环十四烷基吡啶衍生物，被鉴定为选择性ERK2抑制剂。Hypothemycin是一种天然间苯二酚酸内酯，具有顺式烯酮结构，能够与激酶靶标中的半胱氨酸残基的巯基发生迈克尔加成反应。

近年来，多种新型支架和结构母核已被合成作为ERK1/2抑制剂，并在各种癌细胞系中广泛评估了其生物活性。根据体外抗增殖活性，已筛选出其中最有效的先导化合物。

Future directions for the development of ERK1/2 inhibitors as FDA-approved cancer therapeutics

尽管ERK1/2抑制剂的开发取得了显著进展，但目前尚无ERK靶向疗法获得FDA批准。为了将ERK抑制剂从临床前阶段成功推向临床，未来的药物开发必须遵循几个战略方向。

未来的ERK抑制剂必须能有效作用于RAS和RAF（包括BRAF扩增、MEK1/2突变和ERK反馈再激活）等常见致癌突变的下游。应对这些耐药通路对于克服当前靶向治疗的局限性至关重要。开发共价、不可逆或双通路抑制剂可以阻断补偿性生存信号并限制肿瘤逃逸机制。

需要从传统的ATP竞争性抑制剂（通常存在选择性有限和毒性高等问题）转向新的抑制机制。重点应转向变构抑制剂（结合在ATP结合口袋之外，提供更高的靶标选择性）。

许多强效ERK抑制剂因分子量高、口服生物利用度差和药代动力学不理想而在临床中失败。下一代ERK抑制剂应设计具有改进的类药特性，包括高配体效率（LE）、良好的脂溶性（LogP）、口服生物利用度和血浆稳定性。这些特性将最大化肿瘤选择性并最小化系统毒性。

利用ERK1/2（磷酸化和非磷酸化）的高分辨率晶体结构进行基于结构的药物设计（SBDD）对于核心支架优化至关重要。合理设计融合了早期ERK抑制剂关键药效团的杂交分子，这种方法可以同时提高效力和选择性，并增强理化和药代动力学特征。

ERK抑制剂的单一疗法可能不足以实现长期疗效。因此，与MEK或RAF抑制剂联合治疗（以延迟耐药）、与PI3K、CDK4/6或免疫检查点抑制剂联合使用可以增强治疗效果并解决通路冗余性。基于合成致死率的策略可以进一步增加癌细胞特异性杀伤，同时保护正常细胞。

ERK在核质信号传导中的多功能作用要求必须细致理解其生物学功能。未来的ERK抑制剂不仅需要阻断激酶活性，还需考虑亚细胞定位、反馈环路和上下文特异性信号传导，以期取得治疗成功。

为了推动ERK抑制剂获得FDA批准并用于癌症治疗，未来的药物开发必须拥抱新的抑制机制、改进的药理特性以及战略性的组合方案。对ERK生物学的深入理解，加上创新的化学设计，有望克服当前的治疗局限，实现患者的长期获益。

Conclusion

蛋白激酶的突变和失调与多种人类疾病相关，尤其是癌症。过去几十年，激酶——特别是MAPK信号级联中的激酶——已成为关键的治疗靶点，推动了几种激酶抑制剂的开发。尽管FDA已批准多种BRAF和MEK抑制剂用于临床，但一个持续的挑战仍然存在：获得性耐药常在治疗开始后不久出现，从而降低治疗效果，并凸显了对下一代MAPK通路抑制剂的迫切需求。

本综述强调了ERK蛋白（ERK1/2）在MAPK通路中的核心作用及其在从正常信号传导向致癌信号传导转变过程中的调控。它详细说明了对ERK的结构和功能分析如何推动了针对ERK信号传导不同方面的新型小分子抑制剂的发现和合理设计。尽管许多ERK靶向抑制剂在临床前和临床研究中显示出 promising 的抗肿瘤活性，但尚未有任何一种获得FDA批准，这反映了ERK生物学的复杂性以及持续的治疗优化需求。

在此背景下，我们对ERK1/2的分子结构、调控机制、抑制剂结合动力学进行了全面概述，并详细考察了当前的ERK抑制剂，包括处于临床开发阶段和高级临床前开发阶段的抑制剂。本综述旨在为研究人员提供宝贵的资源，为改善癌症治疗临床结局的ERK靶向疗法的设计、开发和未来潜力提供关键见解。

Data availability statement

作者确认支持本研究结果的数据可在文章内找到。