【First-in-class药设系列】利用Monobody进行的Ras变构药物突破

我们今天和大家分享一个非小分子类型的变构药物设计，是Ras领域药物发现的重大突破，刚刚发表于Nat Chem Biol上的全新Ras抑制剂设计。Ras作为促进肿瘤发生癌基因已研究多年，Ras异常活化在多种肿瘤中发现与细胞恶性转化、肿瘤增殖、分化和凋亡障碍密切相关。研究表明30%的人类恶性癌症与Ras蛋白的突变有关，使其成为最常见的能够诱发癌症的突变蛋白[1]。抑制细胞中异常激活的Ras蛋白是被认为可能最有效控制肿瘤发生和发展的途径。2014年，美国国立卫生研究院癌症研究所启动“Ras计划”，每年斥资1000万美元寻找通过Ras治疗肿瘤的方法。然而针对Ras的药物设计和发现一直无法突破，主要由于其底物位点和GTP结合强度高达pM级别，一直难以获得可以和GTP竞争的抑制剂。

Ras家族癌基因有三种，即H-Ras, N-Ras和K-Ras，它们分别编码四种蛋白，即H-Ras，N-Ras以及剪切突变体K-Ras4A和K-Ras4B。 Ras蛋白具有分子开关的作用，能够在GDP结合的失活态和GTP结合的活化态之间转换。当结合不同底物时，Ras中Switch1和Switch2背面的lobe的构象会发生巨大变化，这为利用变构方式进行调控提供了重要契机。美国芝加哥大学的O’Bryan课题组假设Ras在lobe附近可能存在可调控变构区，利用组合库方式首次筛选到了可以结合在该区域的Monobody抑制剂NS1。Monobody是一类来自于人纤连蛋白fibronectin type III基础上的具有高度亲和力的合成蛋白，其对环境的氧化还原作用不敏感，已应用于设计多种疾病靶标的蛋白药。NS1以nM水平结合K-Ras和H-ras，但并不影响Ras中的GDP/GTP交换。

他们进一步研究发现NS1的结合区域实际上是Ras发生活化并自身二聚化的界面，NS1的存在阻断了其活化后的自身二聚化，变构影响了Ras的活化构象，进而影响了Ras上膜和招募下游蛋白。NS1抑制剂不仅阻断Ras蛋白下游经典的ERK和AKT信号转导通路，而且对肿瘤细胞中高频发生的Ras G12V有特异性的抑制效果，体现变构位点药物设计的优势。这个工作利用变构位点设计和组合库筛选重新定义了Ras抑制剂的开发方向，为高亲和力难发现竞争抑制剂的药物靶标提供了很好的典范。

参考文献

1.    Lu S, Jang H, Muratcioglu S, Gursoy A, Keskin O, Nussinov R*, Zhang J*. Ras conformational ensembles, allostery and signaling. Chem Rev. 2016, 116(11): 6607-6665.
2.    Lu S, Jang H, Gu S, Zhang J*, Nussinov R*. Drugging Ras GTPase: a comprehensive mechanistic and signaling structural view. Chem Soc Rev. 2016, 45(18): 4929-4952.
3.    Spencer-Smith R, Koide A, Zhou Y, Eguchi RR, Sha F, Gajwani P, Santana D, Gupta A, Jacobs M, Herrero-Garcia E, Cobbert J, Lavoie H, Smith M, Rajakulendran T, Dowdell E, Okur MN, Dementieva I, Sicheri F, Therrien M, Hancock JF, Ikura M, Koide S, O'Bryan JP*. Inhibition of RAS function through targeting an allosteric regulatory site. Nat Chem Biol. 2017 Jan;13(1):62-68.

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