揭示新的藥物靶點：KRAS蛋白的構象控制位點

控制KRAS：揭示關鍵癌癥蛋白的變構位點

研究人員在基因組調控中心和威康薩克研究所利用深度突變掃描技術全面識別了蛋白質KRAS中的變構控制位點，該蛋白質是許多類型的癌癥中最常見的突變基因之一。科學家們使用深度突變掃描技術來量化超過26,000個突變對KRAS的折疊和其與六個相互作用伙伴結合的影響。

KRAS的變構控制位點代表著潛在的藥物開發關鍵靶點，新的發現可能指出了可以利用來控制這一重要癌癥原因的脆弱性。研究人員表示，他們的研究還呈現出了任何蛋白質的首個完整控制圖。

研究團隊的高級作者本·萊納（Ben Lehner）博士在基因組調控中心和威康薩克研究所擔任ICREA研究教授，他說：“醫學領域的大挑戰不是知道哪些蛋白質引起疾病，而是不知道如何控制它們。我們的研究代表了一種新的策略，可以針對這些蛋白質，加速藥物的開發，以控制其活性。瞄準變構位點的性質意味著由此產生的藥物可能比我們現在擁有的藥物更安全、更有效。”

萊納是該研究團隊在自然雜志上發表的題為“KRAS抑制的能量和變構景觀”的論文的高級作者。在他們的論文中，團隊表示：“我們在這里首次呈現了任何蛋白質的抑制性變構位點的全球地圖，以及突變對蛋白質與多個相互作用伙伴的自由結合能的影響的首個全面比較圖譜。這個數據集包括了超過22,000個自由能測量，對于蛋白質生物物理學和計算生物學來說是一個豐富的資源。”

GTP酶KRas（KRAS）在人類癌癥中突變率為10%，包括約90%的胰腺腺癌、約40%的結腸直腸腺癌和35%的肺腺癌，作者解釋說。1982年發現，KRAS也被稱為“死星”蛋白，因其球形形狀和缺乏良好的靶點而聞名。因此，這種蛋白質一直被認為無法藥物靶向。

控制KRAS的唯一有效策略是通過靶向其變構通信系統。作者進一步解釋說：“KRAS作為一個原型分子開關，在不活動的GDP結合和活動的GTP結合狀態之間循環。”KRAS在GTP結合時的構象和活性的改變是變構的一個例子，實際上是“在蛋白質中從一個位點傳遞信息到另一個位點的遠程信息傳遞”。

KRAS的變構系統起到分子信號的作用，通過遠程控制的鎖和鑰匙機制工作。要控制蛋白質，需要一把可以打開鎖（活性位點）的鑰匙（化學化合物或藥物）。蛋白質也可以受到次要鎖（變構位點）的影響，次要鎖位于其表面的其他位置。當分子結合到變構位點時，它會導致蛋白質形狀的改變，這可以改變蛋白質的活性或其與其他分子的結合能力，例如通過改變其主鎖的內部結構來實現。

變構位點通常更適合藥物開發，因為它們提供更高的特異性，減少了副作用的可能性。它們還可以更細微地改變蛋白質的活性，提供了調節其功能的潛力。與靶向活性位點的藥物相比，靶向變構位點的藥物通常更安全、更有效。

然而，變構位點非常難以捉摸。盡管有四十年的研究、數以萬計的科學出版物和三百多個已發表的KRAS結構，但只有兩種藥物已經獲得了臨床批準——索托拉西布和阿達格拉西布。這些藥物通過附著到活性位點旁邊的一個口袋上，誘導蛋白質發生變構構象改變，從而防止其被激活。正如作者所評論的那樣，“對于許多重要的醫學蛋白質來說，開發針對KRAS的治療方法受到了信息不足的限制，缺乏可以靶向的抑制性變構位點的信息。”

生成變構位點圖譜的能力可以極大地加速藥物開發，尤其是對于許多人類蛋白質來說，由于缺乏合適的活性位點或因其通過難以抑制的蛋白質-蛋白質相互作用界面而被認為是難以藥物靶向的。然而，正如研究人員進一步指出的，任何致癌蛋白質、疾病靶點或任何物種的完整蛋白質的全面變構位點圖譜都尚未生成。

對于他們新報告的研究，團隊使用了深度突變掃描技術來繪制KRAS的變構位點。這涉及創建超過26,000種不同的KRAS蛋白質變體，每次僅更改一個或兩個氨基酸。他們寫道：“總共，這個文庫包括了超過26,500個KRAS變體，包括超過3,200個單一氨基酸替代和超過23,300個雙氨基酸替代。”團隊檢查了這些不同的KRAS變體與其他六種蛋白質的結合，其中包括對于KRAS引發癌癥至關重要的蛋白質。他們首先專注于量化KRAS變體與致癌蛋白質效應子RAF1的結合，然后使用人工智能軟件分析數據，檢測變構并確定已知和新治療靶點的位置。這一技術揭示了KRAS擁有比預期更多的強烈變構位點。這些位點的突變抑制了蛋白質與其所有三個主要伙伴的結合，這表明廣泛抑制KRAS的活性是可能的。其中一些位點特別有趣，因為它們位于蛋白質表面的四個不同結構口袋中，容易訪問，并代表未來藥物的有希望的靶點。

研究人員強調其中一個口袋，“口袋3”，尤其有趣。他們承認，這個口袋遠離了KRAS的活性位點，因此在治療開發中之前幾乎沒有受到足夠關注。“然而，我們的數據顯示，口袋3是變構活性的，其中口袋3的6個殘基的20個突變抑制了其與RAF1的結合。”

研究人員還發現，對KRAS進行微小的改變可以大幅改變其與伙伴的相互作用，使蛋白質更傾向于某一種伙伴而不是其他伙伴。這具有重要意義，因為它可以導致控制KRAS異常活性的新策略，而不會妨礙其在非癌細胞組織中的正常功能。保留正常版本的KRAS意味著副作用更少，治療更安全、更有效。研究人員還可以利用這些知識進一步探討KRAS在不同情景下的生物學行為，這可能是確定其在不同癌癥類型中的作用的關鍵。

研究合著者、基因組調控中心的研究員André Faure博士進一步指出：“幾十年來，因為缺乏大規模識別變構位點的工具，我們一直在尋找靶向藥物位點。在這項研究中，我們展示了一種新方法，可以系統地為整個蛋白質繪制變構位點。從藥物發現的角度來看，這就像打開了燈，揭示了我們可以控制蛋白質的多種方式。”

這項研究為任何物種中任何完整蛋白質的變構位點提供了首個完整地圖。研究還表明，通過使用合適的工具和技術，可能會揭示出許多歷來被認為是“難以藥物靶向”的重要醫學蛋白質的新的脆弱性。

研究團隊指出：“在這里呈現的數據以及其他近期研究中的數據顯示，變構位點比廣泛認知的要普遍得多。”他們進一步表示：“而且，我們在這里應用于KRAS的方法相當通用，可以用來識別許多不同蛋白質中的變構位點。”研究人員認為，使用他們的通用策略將有可能系統地繪制出許多重要蛋白質中的調控位點。“繪制變構位點在藥物開發中可能會起到越來越重要的作用，為治療以前被認為是‘難以藥物靶向’的蛋白質奠定了基礎，”他們總結道。

該研究的第一作者，基因組調控中心的博士后研究員翁晨春解釋說：“我們方法的獨特之處在于其可擴展性。僅在這項工作中，我們進行了超過22,000次生物物理測量，與我們在利用DNA測序和合成方法方面取得的巨大進展之前所有蛋白質的測量數量相似。這是一次巨大的加速，展示了這種方法的潛力和威力。”