姜标点评 | 靶向KRAS，PROTAC来了
KRAS是癌症中最常见的突变致癌基因之一，该基因编码一种小的、膜结合的GTPase，传递来自受体酪氨酸激酶(RTKs)的信号，促进细胞增殖、分化或存活。在正常细胞中，KRAS起着分子开关的作用，在失活（与GDP结合）和激活（与GTP结合）之间循环。体细胞KRAS突变会减弱该蛋白的酶活性，导致GTP结合型、活跃的KRAS的积累、下游信号过度激活，从而导致失控的细胞增殖。
尽管KRAS突变经过了多年的广泛研究，但由于相应蛋白表面缺乏传统上可成药的口袋（pocket），因此，KRAS突变体仍然是一个具有挑战性的治疗靶点，至今无靶向KRAS的药物获批上市。
KRASp.G12C突变是最常见的KRAS突变之一，具体指KRAS 12位的甘氨酸（glycine）突变为半胱氨酸（cysteine）。该突变存在于约13%的肺腺癌中，3%的结直肠癌中以及1%的其它实体瘤中。这一突变大大降低了KRAS固有的GTPase活性，使得GTP结合的激活型KRAS积累。
2013年，加州大学旧金山分校的化学生物学家Kevan Shokat在Nature杂志上首次报道了可共价选择性结合KRASG12C突变半胱氨酸的分子，为靶向KRAS的药物开发带来了新的希望。之后，经过进一步的优化，一批口服bioavailable的KRASG12C抑制剂问世。分别由Wellspring、Amgen和 Mirati Therapeutics开发的ARS-1620/ARS-3248（JNJ-74699157 ）、AMG510和MRTX849在体外和体内均被证明能有效抑制KRASG12C活性。ARS-3248、AMG510（III期）和MRTX849均已在开展临床研究，且早期数据“喜人”。
然而，尽管KRASG12C抑制剂的研发取得了前所未有的成功，但使用这类药物治疗后快速发展的适应性耐药以及MAPK信号的重新激活已经被报道。因此，一些团队也在尝试开发靶向KRASG12C的其它策略，来帮助释放通过靶向KRAS突变体来治疗癌症的全部潜力。
蛋白水解靶向嵌合体(Proteolysis-Targeting Chimeras，PROTACs)是一种新的有前景的药物类型，结构看起来像哑铃一样，通过一个“连接器“（linker）连接“兴趣蛋白的配体”以及“E3泛素连接酶的招募配体”。也就是说，PROTAC分子的一端与兴趣蛋白（即靶蛋白）结合，另一端与E3泛素连接酶结合。而E3泛素连接酶可通过将一种叫做泛素的小蛋白贴在靶蛋白上将其标记为缺陷或受损蛋白。之后，细胞的蛋白粉碎机（即，26S蛋白酶体）会识别和降解被标记的靶蛋白。
PROTACs技术最大的优势之一是能够使靶点从“无成药性”（undruggable）变成“有成药性”。大多数传统小分子药物或单抗需要结合酶或受体的活性位点来发挥作用，然而，PROTACs可以通过任何角落、缝隙抓住靶蛋白。
7月8日，发表在ACS Central Science上的一项研究中，由PROTACs技术先驱Craig M.Crews教授带领的研究小组首次报道了first-in-class的内源性KRASG12C降解剂LC-2的开发，LC-2结合了前文中提到的MRTX849和VHL E3连接酶配体。
研究证实，LC-2可快速、持续地降解纯合和杂合突变细胞系中的KRASG12C，导致MAPK信号传导受到抑制，表明PROTACs介导的降解是衰减癌细胞中致癌KRAS水平和下游信号的一种可行策略。
具体来说，在这项研究中，科学家们最先开发出了LC-1，但发现该分子仅能结合KRASG12C但不能有效降解这一致癌蛋白。LC-1一个主要的不利因素是其“连接器“（linker）内存在一个可水解的酰胺。进一步的研究显示，更短的连接器（∼6 atoms)）能够使基于MRTX849、招募VHL的PROTACs更有效地降解KRASG12C，而LC-2是研究者们筛选出的最有效的KRASG12C降解PROTACs。在NCI-H2030细胞（人非小细胞肺癌细胞）中，LC-2在浓度低至2.5 μM时就能诱导对内源性KRASG12C最大程度的降解（DC50 of 0.59 ± 0.20 μM）。
为了探索LC-2的选择性，研究人员还在含杂合KRASG13D突变的HCT 116细胞（人结肠癌细胞）中调查了LC-2降解KRAS的情况。结果显示，在浓度高达10 μM时，LC-2也未显示能够结合和降解KRASG13D。这些数据进一步表明LC-2能够选择性地结合并降解KRASG12C蛋白。
研究人员还在5个不同的KRASG12C细胞系中测试了LC-2，并观察到DC50值在0.25至0.76 μM之间（表1）。在对KRASG12C抑制剂MRTX849敏感性不同的纯合和杂合KRASG12C突变细胞系中，LC-2均能降解突变KRAS蛋白。
此外，该研究还证实，在多种癌细胞系中，LC-2均可诱导快速、持续的KRASG12C降解。举例来说，对于NCI-H2030细胞，LC-2处理1小时后就观察到了与KRASG12C的结合，最大程度的结合和显著的降解发生在LC-2处理后4小时内，最大程度的降解发生在LC-2处理后8小时内，且这种降解可持续24小时。LC-2可克服KRASG12C表达增加的能力表明，在使下游信号长时间衰减方面，KRASG12C降解剂可能比抑制剂更有益。
总结来说，这些结果表明，科学家们已经向开发诱导KRAS突变体降解的基于PROTACs的候选疗法迈出了非常重要的一步。据悉，这是关于PROTACs诱导癌细胞中内源性KRASG12C降解的首个报告。LC-2不仅为开发更有效的KRAS降解剂提供了一个很好的起点，也为靶向KRAS突变体治疗癌症提供了新的机会。
专家点评
在Craig M. Crews教授团队发表这项研究进展之前，Dana-Farber 癌症研究所的Nathanael S. Gray教授团队也已经在尝试开发靶向KRASG12C的PROTACs。如图1所示，其设计原理是基于化合物1作为KRASG12C“弹头”，并采用了CRBN的E3配体泊马度胺类似物。不过，基于此设计的PROTACs仅成功降解了外源性的KRASG12C，在降解内源性的KRASG12C方面并没有取得成功。
而Craig M. Crews教授团队采用MRTX849作为PROTACs的“弹头”，并使用了VHL的E3配体，筛选出的化合物LC-2成功进行了内源性KRAS降解（如图2所示）。对于同一靶点通过调节“弹头”和“E3配体”，就可以得到截然不同的效果，说明PROTACs的开发想象空间很大。如果单纯从LC-2结构优化来讲，根据我们近些年所积累的经验来说，首先MRTX849作为“弹头”本身可以进一步优化，其次就是linker长短、柔性和刚性、极性和非极性变化都会影响靶蛋白降解效率；另外一个特点就是MRTX849本身是一个共价抑制剂，理论上可以简化为非共价“弹头”来进行G12C突变和非G12C突变的KRAS蛋白的降解。
我们课题组在2014年开始关注并着手蛋白降解药物研究工作，目前主要从事两个方向的研究：分子胶（molecular glue）和蛋白降解药物。其中，分子胶方面，我们确立了可以口服并用于难治愈多发性骨髓瘤治疗的候选化合物，目前正在进行IND申报的准备工作；PROTACs方面，我们也成功开发了可以口服并用于三阴性乳腺癌治疗的候选化合物，且已独家授权给相关公司进行后续临床转化。
与传统的小分子、抗体甚至抗体偶联药物相比，PROTACs技术最让学术圈和医药企业看中的应该是其对于致病蛋白的选择性降解清除。我们目前的细胞水平的研究显示，其对于耐药及突变致病蛋白构建的一些肿瘤细胞都有非常意想不到的效果；另外一个发现就是PROTACs可以有效抑制肿瘤细胞的迁移和转移。对于一些很难开发出抑制剂的非可药靶点，PROTACs为开发靶向这些靶点的小分子药物带来了新的可能性。
对于开发PROTACs药物有何障碍需要克服，如果单从PROTACs角度来看，目前大家公认的PROTACs分子量比较大，成药性是其难点，但从我们研究来看，“关键障碍”是对于PROTACs的评价体系的建立，其中包括安全性评价体系，脱靶降解的发现极为重要；其二就是其药效研究，这种新型药物的剂量选择与传统意义上的小分子也有差别。
尽管还有很多问题需要解决、优化，但我对蛋白降解药物领域是充满信心的，这个自信来源于对已有的几个药物的认识：第一个是用于治疗急性白血病的三氧化二砷，其机理本质上就是降解了PML蛋白；第二个是免疫调节药物泊马度胺和来那度胺，科学家在2014年才弄清楚这些药物是基于IZKF1/3蛋白的降解来发挥作用，该机理就是分子胶开发的雏形；第三个类型的药物是氟维司群，其机理是基于雌激素受体ER的降解。基于以上认识加上目前学术圈以及医药界对蛋白降解领域的大量投入，相信这类新疗法的前景会非常引人注目。
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