Science：攻克“不可成药”靶点，揭秘如何降解KRAS蛋白

来源：药渡

撰文：balabala     编辑：维他命

9月20日，英国邓迪大学Alessio Ciulli教授团队在《Science》杂志上发表了重磅成果，其研究开发了一种可以对17种常见KRAS突变体中的13种实现有效降解的泛KRAS降解剂——ACBI13，泛KRAS降解剂的出现标志着对KRAS蛋白降解药物的研究进入新阶段。

在抗癌的漫长征途中，Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物（KRAS）蛋白一直是一个难以逾越的高峰。它在多种癌症中频繁出现突变，且长期以来缺乏有效的治疗手段。

KRAS蛋白是一种在细胞内传递生长信号的蛋白质，一旦发生突变，就如同打开了细胞无序生长的开关，导致肿瘤的形成。尽管科学家们已经尝试了多种方法来抑制KRAS的活性，但成效有限。原因在于KRAS蛋白的结构特点使得传统的药物难以与之有效结合。

靶蛋白降解技术的出现正在改变肿瘤药物开发，目前已有超过25种降解剂药物进入临床试验。近年来，科学家们将靶蛋白降解技术应用于KRAS蛋白，致力于开发出有效降解KRAS蛋白的降解剂，为癌症治疗带来新的希望。

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KRAS^G12C靶向降解策略的探索

2020年1月，哈佛医学院的Nathanael S. Gray教授团队在《Cell Chemical Biology》上发表了一项研究，他们针对KRAS^G12C这一常见于胰腺癌等恶性肿瘤的突变类型，开发了一种新型的PROTACs降解剂。

尽管KRAS蛋白因缺乏有效的药物结合位点而难以成药，Gray团队通过共价修饰KRAS^G12C的Cys12残基，成功设计了一系列降解剂，这些降解剂基于喹唑啉骨架，通过连接子与CRBN招募基团IMiDs相连，形成了能够诱导KRAS^G12C和CRBN三元复合物的分子。

在实验中，团队采用了GFP-KRAS^G12C报告基因系统来筛选有效的降解剂，最终发现化合物XY-4-88具有显著的降解效果。尽管XY-4-88在体外实验中表现出色，但在降解内源性KRAS^G12C时却遇到了难题。研究表明，XY-4-88虽然能够与CRBN和KRAS^G12C结合，诱导二者形成二聚体，但并未实现对内源性KRAS^G12C的降解。这一结果暗示了在蛋白降解过程中，可能存在亚细胞定位的障碍，CRBN主要定位于细胞质和核中，而KRAS^G12C则主要定位于细胞膜上。

尽管如此，这项研究也为KRAS^G12C的靶向降解提供了有价值的策略，并为未来的研究指明了方向。Gray团队的发现表明，通过调整降解剂的结构，特别是warhead部分，有可能克服现有的障碍，实现对KRAS^G12C的有效降解（图1）。

图1. XY-4-88对GFP-KRAS^G12C的外源性降解依赖于CRBN

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VHL机制下的

KRAS^G12C靶向降解剂的研究

2020年7月，耶鲁大学的Craig M. Crews教授团队在《ACS Central Science》杂志上发表了一篇题为“Targeted Degradation of Oncogenic KRAS^G12C by VHL-Recruiting PROTACs”的文章。

在这项研究中，他们开发了一种名为LC-2的PROTAC化合物，专门针对KRAS^G12C这一在多种癌症中常见的突变形式。LC-2通过招募VHL E3泛素连接酶，诱导KRAS^G12C的泛素化和随后的蛋白酶体降解，从而有效抑制了MAPK信号通路的激活。

LC-2的设计基于一种已在临床试验中显示出潜力的KRAS^G12C共价抑制剂MRTX849，Crews团队通过在MRTX849的分子结构上添加linker，连接至VHL配体，成功构建了LC-2。

在细胞实验中，LC-2展现了快速的KRAS^G12C结合能力，并在数小时内诱导了显著的蛋白降解（图2）。这种降解效果在多种KRAS^G12C突变的癌细胞系中得到了验证，并且降解效果可持续72小时以上。尽管LC-2在体外实验中表现出了优异的降解效果，但其共价结合的特性可能限制了其在体内环境中的效价，因为它不能参与催化降解的循环。

图2. VHL机制下的LC-2对KRAS^G12C-GDP的降解

此外，LC-2对细胞活力的影响可能有限，这表明需要开发更有效的PROTACs来增强KRAS降解的疗效。总之，LC-2的开发代表了KRAS降解剂的又一进展，为开发可逆的PROTACs奠定了基础。

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降解KRAS突变体的

分子胶降解剂的发现

2024年4月，厦门大学生命科学学院的王洪睿教授和医学院的邓贤明教授团队在预印本网站bioRxiv上发表了一篇名为“Targeting oncogenic K-Ras mutants with a small-molecule degrader through Nedd4-1”的文章，报道了一种新的分子胶降解剂XMU-MP-9，能够特异性地促进泛素连接酶Nedd4-1对KRAS各种致癌突变体的泛素化和降解，有效抑制了携带KRAS突变的癌细胞的增殖和肿瘤发展。

在这项工作中，研究人员利用了一个包含4480种小分子的内部化合物库进行高通量筛选，最终鉴定出先导化合物XMU-MP-9。这种分子胶可以促进Nedd4-1泛素化和降解KRAS突变体，并且其降解过程主要通过溶酶体途径进行。通过体外实验，研究人员证明了XMU-MP-9能够通过Nedd4-1和溶酶体依赖的方式，降解不同的KRAS蛋白（图3）。

此外，在癌症细胞系中，XMU-MP-9的处理降低了内源性KRAS突变蛋白水平，并减弱了B-Raf和MEK的磷酸化水平，从而抑制了癌细胞的生长。在体内，XMU-MP-9同样展现出了对肿瘤生长的抑制效果，减少了肿瘤组织中KRAS^G12V的蛋白水平，并降低了B-Raf和MEK的磷酸化。

这项研究基于Nedd4-1和KRAS^G12V的蛋白相互作用，通过建库筛选的方法开发出了诱导其相互作用的分子胶，不仅揭示了分子胶技术独特的作用机制，还展现了其在癌症治疗中的潜在应用价值。

图3. XMU-MP-9诱导Nedd4 -1依赖性KRAS^G12V降解

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降解KRAS突变体的

LYMTAC的开发

2024年9月，安进（Amgen）公司的研究人员在预印本网站bioRxiv上发表了一篇名为“LYMTACs: Chimeric Small Molecules Repurpose Lysosomal Membrane Proteins for Target Protein Relocalization and Degradation”的文章，研究人员设计并合成了一种能够与KRAS^G12D突变体结合的LYMTAC分子。

研究数据表明，lyMtacs可以与KRAS^G12D和RNF152形成有效的三元配合物，促进KRAS^G12D泛素化，并诱导KRAS^G12D的溶酶体依赖性清除（图4）。这项研究为通过LYMTAC技术降解KRAS提供了概念验证，为KRAS蛋白降解提供了新的技术手段。

图4. LYMTAC分子成功降解KRAS^G12D突变体

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泛KRAS降解剂问世

9月19日，英国邓迪大学Alessio Ciulli教授团队在《Science》杂志上发表了题为“Targeting cancer with small molecule pan-KRAS degraders”的文章，介绍了一种针对13种常见KRAS突变的单一小分子降解剂ACBI3的临床前验证。该研究利用结构导向设计方法，通过分析KRAS与高亲和力配体的晶体结构，成功设计并识别了能够体内降解致癌KRAS的ACBI3，实现了持久的信号通路调节和肿瘤缩小。

研究人员首先设计了化合物2，通过诱导VCB:PROTAC:KRAS^G12D三元复合物的形成，显示出高亲和力，并在细胞实验中有效降解KRAS^G12D和KRAS^G12V。进一步优化得到了化合物3和化合物4，显著提高了降解效能。化合物4在癌细胞系中选择性地抑制了KRAS依赖性细胞系的致癌信号和增殖，降解效能超过传统抑制方法。

尽管化合物4的药代动力学分析显示暴露不足，但通过化学优化得到的ACBI3在小鼠肿瘤模型中显示出显著的抗肿瘤效果（图5），该研究开发了一种可以对17种常见KRAS突变体中的13种实现有效降解的泛KRAS降解剂——ACBI13，泛KRAS降解剂的出现标志着对KRAS蛋白降解药物的研究进入新阶段。

图5. ACBI3降解KRAS^G12D和KRAS^G12V的体内疗效

结 语


靶蛋白降解技术通过诱导细胞内的蛋白降解机制，有望克服传统抑制剂的耐药性问题。但要将这种小分子降解剂转化为实际的药物，还需要克服许多挑战，包括提高稳定性、优化递送方式以及进行大规模的临床试验。
KRAS蛋白的降解为癌症治疗带来了新的曙光，随着研究的深入和技术的进步，我们有理由相信，未来将有更多患者能够从这种创新疗法中获益。

参考文献：

[1]Zeng M, Xiong Y, Safaee N, Nowak RP, Donovan KA, Yuan CJ, Nabet B, Gero TW, Feru F, Li L, Gondi S, Ombelets LJ, Quan C, Jänne PA, Kostic M, Scott DA, Westover KD, Fischer ES, Gray NS. Exploring Targeted Degradation Strategy for Oncogenic KRASG12C. Cell Chem Biol. 2020 Jan 16;27(1):19-31.e6. doi: 10.1016/j.chembiol.2019.12.006.

[2]Bond MJ, Chu L, Nalawansha DA, Li K, Crews CM. Targeted Degradation of Oncogenic KRASG12C by VHL-Recruiting PROTACs. ACS Cent Sci. 2020 Aug 26;6(8):1367-1375. doi: 10.1021/acscentsci.0c00411.

[3]Taoling Zeng et al., (2024). Targeting oncogenic K-Ras mutants with a small-molecule degrader through Nedd4-1.bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2024.04.26.591418

[4]Nalawansha et al., (2024). LYMTACs: Chimeric Small Molecules Repurpose Lysosomal Membrane Proteins for Target Protein Relocalization and Degradation. bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2024.09.08.611923

[5]Johannes Popow et al. ,Targeting cancer with small-molecule pan-KRAS degraders.Science385,1338-1347(2024).DOI:10.1126/science.adm8684

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