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科学家绘制首个完整蛋白的变构抑制图谱,已成立公司助力新药研发

类别:科技 发布时间:2024-02-07 10:17:00 来源:DeepTech深科技

鼠类肉瘤病毒癌基因(KRAS,kirsten rat sarcoma viral oncogene)是癌症中突变频率最高的基因之一。

KRAS 会在大约 10% 的癌症中发生体细胞突变,以及在约 90% 的胰腺癌、约 40% 的结直肠癌、约 35% 的肺癌、约 20% 多发性骨髓瘤中发生体细胞突变。

学界研究原癌基因的已有四十多年的历史,其中上万篇文献涉及到 300 多个 KRAS 相关的结构解析。但是,目前为止只有两个药物问世——Sotorasib(Lumakras™)和 Adagrasib(Krazati™)。

然而,这两款药物的治疗效果依然受到药物耐受性的困扰。具体来说,这两款药物都通过变构抑制 KRAS 的活性。这种变构抑制剂的出现,为探索 KRAS 和众多难以成药的靶点的变构抑制带来了一定可行性。

然而,和众多重要的药物靶点一样的是,KRAS 变构抑制剂的研发,受限于缺少有效的已知变构抑制位点。因此,绘制完整的 KRAS 变构抑制位点图谱,会极大加速 KRAS 变构抑制剂的研发。

在近期一项研究之中,西班牙基因调控中心的研究人员利用深度突变扫描的实验方法 ddPCA (doubledeepPCA),通过构造饱和突变的方法,绘制了 KRAS 的变构抑制图谱。

科学家绘制首个完整蛋白的变构抑制图谱,已成立公司助力新药研发

(来源:Nature)

研究中,课题组绘制了 KRAS 与他的六个结合蛋白 RAF1、PIK3CG、 RALGDS、SOS1、DARPins K27 和 K55 的结合活性抑制图谱,并测量了 26000 多个突变对于 KRAS 的稳定性,也测量了 KRAS 和六个互作蛋白结合之后的影响。

在氨基酸的帮助之下,他们替换了不同突变背景之下的效果,利用机器学习推测了 22000 多个自由能变化,验证了使用这一方法绘制蛋白变构抑制图谱的可行性。

当了解自由能(ΔΔGb)和已知复合物的结构信息之后,就能帮助找到变构调节的突变和位点。而这些完整的变构位点有望大大加快 KRAS 变构抑制剂的研发。

通过此,他们绘制了首个完整蛋白的变构抑制图谱,这也是首个蛋白与多个相互作用靶点的特异性变构抑制图谱。

实验数据显示:在 KRAS 蛋白中,变构抑制会随距离的增加而减弱。同时,二级结构 β 折叠更容易传递变构抑制的影响。

通过此,他们首次发现变构抑制具有特异性,并首次发现 KRAS 四个表面的口袋都有可以抑制 KRAS-RAF1 结合的突变。

另外,课题组也提供了一个实验与计算相结合的方法,能够用来绘制蛋白与蛋白相互作用的变构抑制图谱,并具有较好的可行性和经济性。同时,也可以利用这个方法绘制其他蛋白蛋白相互作用的变构抑制图谱。

审稿人表示,针对四个口袋的分析为长久以来未被重视的第三个口袋注入了活力。同时,本次研究也揭示了第三个口袋的突变依然能够抑制 KRAS-RAF1 结合活性。

假如可以开发效果优于 sotorasib/adgrasib 的药物,对于 KRAS 具有极高的医学重要性。同时,高通量搜索也会变得更加重要。

由于本次研究也展示了 KRAS 下游不同通路的结合活性,因此有望为在不同癌症中剖析 KRAS 通路提供有力的数据支持。

中国科学技术大学校友翁晨春博士,是本次研究的主要负责人。2020 年,翁晨春进入目前的课题组。当时,该实验室正在研究 ddPCA 这一实验方法。2022 年,关于这一方法的相关论文发表在 Nature 上。

科学家绘制首个完整蛋白的变构抑制图谱,已成立公司助力新药研发

图 | 翁晨春(来源:翁晨春)

后来,该团队计划将这一方法用于其他的蛋白蛋白相互作用上。凭借在肿瘤治疗中的重要性,KRAS 便成为本次研究的目标之一。同时,蛋白蛋白相互作用的特异性,也是课题组一直在关注的问题之一。

而 KRAS 恰好拥有多个重要的下游靶标蛋白,于是他们便采取将 KRAS 结合蛋白的做法来探索关于 ddPCA 的应用。

而翁晨春进入该团队的第一件事,便是利用这个课题申请了欧洲分子生物学组织(EMBO,European Molecular Biology Organization)的博后项目,并顺利拿到了资助。

通过参考其他文献,课题组找到了一些体外数据,这不仅加快了实验进展,也印证了数据的可靠性。在论文审稿阶段,他们又针对新突变做了体外验证。

当翁晨春第一次在 KRAS 的 3D 结构上观察自由能变化的时候,其所计算出来的最明显的自由能变化,都位于 KRAS 与 RAF1 的结合表面上,这让他感到非常兴奋,同时图片本身的“华丽”又让他觉得这个方法很给力。

最终,相关论文以《KRAS 抑制的能量和变构景观》(The energetic and allosteric landscape for KRAS inhibition)发在 Nature[1]。

翁晨春是第一作者,西班牙基因调控中心本·莱纳(Ben Lehner)教授担任通讯作者。

科学家绘制首个完整蛋白的变构抑制图谱,已成立公司助力新药研发

图 | 相关论文(来源:Nature)

目前,担任本次论文通讯作者的本·莱纳(Ben Lehner)和第二作者的安德烈·福雷(Andre Faure)在一家名为 ALLOX 的初创公司任职。

这家初创公司正在利用本次实验方法——ddPCA,来绘制肿瘤靶标基因的变构抑制图谱。若干年后,其希望通过这些图谱数据可以找到合适的药物靶点。

同时,课题组计划将这个方法用于其他疾病相关蛋白之中,并用于绘制其他蛋白的抑制图谱。

此外,绘制 KRAS 的抑制图谱只是一个开始,如何使用这些突变信息,以及如何利用这些口袋结构,都需要进一步的探索。

另据悉,翁晨春本科和博士均毕业于中国科学技术大学,后在西班牙基因调控中心完成博士后研究。

其表示:“我计划今年回国并建立自己的实验室。同时也很希望对我们的研究感兴趣、愿意从事相关研究的硕士,博士或者博士后联系我或者 Ben Lehner。”

参考资料:

1.Weng, C., Faure, A.J., Escobedo, A.et al. The energetic and allosteric landscape for KRAS inhibition. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06954-0

运营/排版:何晨龙

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