丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase, MAPK) 信号通路是哺乳动物细胞中的基本通路，与细胞增殖、分化、凋亡及血管生成等生理活动密切相关，研究表明，MAPK 通路中某些蛋白的异常激活是导致多种癌症的重要原因，因此，干预该通路可以作为肿瘤治疗的策略之一。在本文中，我们将对 MAPK 信号通路与癌症的关系，以及相关的药物研究作相关的介绍。
MAPK 是一类丝/苏氨酸蛋白激酶，目前已鉴定出 6 组成员，分别是细胞外调节蛋白激酶 (extracellular signal-regulated kinase, ERK) 1/2，ERK 3/4， ERK 5，ERK 7/8，Jun 氨基末端激酶 (Jun N-terminal kinase, JNK)1/2/3，p38 ɑ/β/γ(ERK6)/δ。不同 MAPK 与特异的 MAPK 激酶 (MAPKK)，MAPK -激酶-激酶 (MAPKKK) 联系，形成保守的三级酶促级联反应 (MAPKKK→MAPKK→MAPK)，上游的信号通过该级联反应由 MAPK 传递至下游的核转录因子、细胞骨架蛋白，形成完整的 MAPK 信号通路，最终完成细胞生理活动的调节。在所有 MAPK 通路中，ERK1/2 通路研究得最为深入，与癌症的关系也最为密切。JNK 通路与 P38 通路在调节细胞的炎症、凋亡等活动中具有重要作用，激活这两条通路可以促进癌细胞的凋亡，临床上应用As₂O₃治疗白血病正是通过活化 JNK 通路实现，诺考达唑和紫杉醇作为化疗药物则通过活化 P38 通路治疗癌症。
MAPK通路
ERK1/2 信号通路在调节细胞的增殖、分化、凋亡、迁移等活动中发挥重要的作用。当外界信号如生长因子、有丝分裂原等与受体结合后，激活受体酪氨酸激酶活性，通过下游衔接蛋白将信号传递给小 GTP 酶 Ras，Ras 由 GDP 结合型转变为 GTP 结合型，激活下游 Raf，活化的 Raf 使 MEK1/2 上的丝氨酸位点磷酸化而激活，后者磷酸化 ERK1/2 上的苏氨酸和酪氨酸残基并激活，活化的 ERK1/2 进一步激活核转录因子或者胞浆蛋白而产生一系列的变化。在这个过程中，任何一级的蛋白变异都有可能导致癌症的产生。研究发现，ERK 通路蛋白的突变经常会在癌症中出现，大约有三分之一的人类肿瘤表达了组成型激活突变的 RAS，大约有 8% 的肿瘤出现了 BRAF 的异常激活。
靶向ERK1/2信号通路的抗癌策略
靶向RAS的药物开发策略
过去 30 年来，大量研究发现了不同类型肿瘤中 RAS 家族蛋白的高突变率 (KRAS 20%, NRAS 8.0%, HRAS 3.3%)，表明该家族蛋白在癌症治疗中的潜在作用。研究者也探明了 RAS 突变致癌的基本机制，即组成型激活的 RAS 稳定于 GTP 结合的活化状态，从而使下游通路一直被激活，最终造成细胞的过度增殖。然而由于 RAS 与 GTP 结合的高亲和力，靶向抑制 GTP 结合口袋的药物开发一直是一个巨大的挑战。RAS 结合于细胞膜是其激活的必要过程，由此提出的一个策略是阻止其向细胞膜的转移。法尼基转移酶是催化 RAS 结合于细胞膜的关键酶，然而针对此酶开发的抑制剂 (FTIs) 效果并不理想，因为 RAS 与细胞膜的结合同样可以被香叶基基转移酶催化。PDEδ 是促进 RAS 正确定位于细胞膜的重要蛋白，有研究报道，靶向此蛋白的抑制剂可有效抑制 KRAS 的致癌信号，然而这种策略能否产生有效的抗癌药物还有待于观察。近年来，直接靶向 RAS 的药物开发又被人们重新提起，基于蛋白结构设计化合物的方法，研究者开发出了一系列 RAS 调节剂。鸟嘌呤交换因子 SOS 可以催化 RAS 由 GDP 结合状态向 GTP 结合状态的转换。利用片段化合物筛选的方法，有两组研究者得到了能够与 RAS 结合并干扰其与 SOS 相互作用的化合物。然而，由于这些小分子在 RAS 上的结合口袋比较浅，因此能否通过进一步的优化得到临床有效的化合物仍然是一个问题。此外，也有研究者通过虚拟筛选的手段对阻断 RAS-GTP 和 RAF 结合的小分子进行了筛选，并鉴定出一些实际有效的化合物。然而，这些化合物的选择性以及有效性仍然存疑。KRAS(G12C) 突变是癌症中的常见突变，有研究者报道了一组结合于该突变蛋白的半胱氨酸反应性抑制剂。他们的研究策略有两个目标，首先是利用半胱氨酸反应性小分子化合物库筛选得到与 G12C 微弱结合的小分子，并在此基础上得到结构优化的小分子，其次是寻找一种作用于突变 RAS 的，具有治疗意义的抑制剂。通过对 G12C 与抑制剂结合状态的结构研究发现，找到的这些半胱氨酸反应性小分子是结合于 RAS 上的新口袋，它位于效应器结合的开关Ⅱ区的下方。这些化合物的结合改变了 RAS 的核苷酸结合偏好，使 GDP 结合优于 GTP 结合，从而使 RAS 处于失活状态，关闭 RAS 的信号。目前，基于该策略开发的药物包括Lumakras (sotorasib, AMG510)，Adagrasib (MRTX849) 等均已取得良好的临床效果。
KRAS(G12C)突变蛋白上半胱氨酸反应性小分子结合口袋
RAF 激酶家族包括 3 种亚型，分别是 ARAF，BRAF 和 CRAF，它们具有高度的同源性和类似的结构域。激酶C端包含有激酶结构域，缺乏 RAS-GTP 时，N 端会与 C 端结合使激酶处于非活性构像。RAS 被激活后，RAS-GTP 与 RAF 的 RAS 结合域结合。RAF 的激活是一个复杂的过程，包括 RAF 的招募，细胞膜上 RAS-RAF 复合物的形成，RAF 上许多阳性和阴性调节位点的磷酸化和去磷酸化，RAF 的同二聚化和异二聚化，但是确切的顺序和详细的细节目前仍不清楚。不过 RAF 抑制剂的作用机制揭示了二聚化是 RAF 发挥催化活性以及 RAF 抑制剂发挥作用的关键步骤。CRAF 被认为具有潜在致癌作用的亚型，围绕它的研究和药物发展工作也是最早展开的。然而人类癌症中的 CRAF 突变十分稀少，早期开发的 CRAF 抑制剂主要基于其作为 RAS 效应器的功能。2002 年，研究者在人类肿瘤中发现了大量的 BRAF 突变，研究的焦点也从 CRAF 转向了 BRAF。相比于 CRAF，BRAF 具有更高的基础活性。因此，单一突变足以使 BRAF 高度异常激活，而 CRAF 则需要额外的突变才能达到同样的活性。缬氨酸到谷氨酸的突变（V600E）是最常见的 BRAF 突变，在所有致癌 BRAF 突变中占到了 90% 以上。其他的致癌 BRAF 突变通常聚集于 BRAF 的激活片段或者富含甘氨酸的肽环中。相比于 CRAF 和 BRAF，ARAF 的激酶活性较低，ARAF 突变已经在一小部分肺癌以及来自 Langerhans 细胞组织细胞增生症患者的样品种检测到。获得批准上市的 RAF 抑制剂——sorafenib，是 CRAF 和广泛的 BRAF 抑制剂。但一项随机的临床Ⅲ期试验表明，针对携带 BRAF(V600E) 突变的转移性黑色素瘤，sorafenib 并未表现出有效的作用。MEK1 和 MEK2 是密切相关的双重特异性激酶，介导了生长因子信号从激活 RAF 到 ERK 的传导。虽然人类肿瘤中很少发现 MEK 激活变异的存在，但由于 MEK 处于通路中 RAS 和 RAF 蛋白的下游，为 RAS 和 RAF 突变导致肿瘤的治疗提供了一种新的策略，因此是一个很有吸引力的靶点。目前，已经有选择性、非 ATP 竞争性的 MEK 变构抑制剂进入临床发展阶段。包括进入临床的小分子抑制剂 CI-1040（虽然最后由于口服活性和疗效等问题并未被批准上市），以及个被 FDA 批准的 MEK1/MEK2 抑制剂 trametinib等。
ERK抑制剂
ERK1 和 ERK2 具有高度一致的氨基酸序列（85%），它们的酪氨酸和苏氨酸残基可被 MEK 磷酸化而激活。激活的 ERK 可以调节一系列的细胞活动，包括细胞生殖和生存等。与 RAF 和 MEK 相比，ERK1 及 ERK2 选择性抑制剂的开发并不理想，一部分原因是早期的假设认为 ERK 仅仅是 MEK 的下游靶标，ERK 抑制剂并不会具备比 MEK 抑制剂更加理想的效果。然而，最近的研究引起了人们开发 ERK 抑制剂的兴趣。首先，对于 RAF 和 MEK 抑制剂的研究使人们意识到，靶向同一通路不同组分的抑制剂可以产生复杂多样的生物学效应。其次，ERK 信号通路不同组分的抑制剂促进的负反馈回路可能显示出重要的差异。此外，RAF 及 MEK 抑制剂的耐药性通常会涉及到 ERK 信号通路的恢复，也表明 ERK 抑制剂的潜力。目前，已有 ERK 相继被报道，包括 SCH772984，BVD-523 及 GDC0994 等。总的来说，MAPK 信号通路尤其是 ERK1/2 通路与癌症存在密切的联系，针对通路中关键蛋白设计的抗癌小分子也显示出巨大的潜力，随着研究的不断深入，相信在不久的未来将会开发出更多具有显著效果的小分子抑制剂药物，向着攻克癌症的方向更近一步。陶术生物能够提供 700 多种 MAPK 通路相关的小分子抑制剂，助力 MAPK 通路领域的研究。
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参考资料
[1]Samatar A A , Poulikakos P I . Targeting RAS-ERK signalling in cancer: promises and challenges.[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2014, 13(12):928-42.
[2]FDA Approves First KRAS Inhibitor: Sotorasib. Cancer Discov. 2021 Jun 22. doi: 10.1158/2159-8290.CD-NB2021-0362. Epub ahead of print. PMID: 34158284.
[3]Lanman B A, Allen J R, Allen J G, et al. Discovery of a covalent inhibitor of KRASG12C (AMG 510) for the treatment of solid tumors[J]. Journal of Medicinal Chemistry, 2019.
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