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争议:NRAS驱动癌症的新靶点——STK19

时间:2020/07/22来源:医药魔方阅读:191

RAS基因突变广泛存在于多种肿瘤组织,且多发生于癌症早期。RAS蛋白是一种分子开关,与三磷酸鸟苷(GTP)结合时呈激活状态,与二磷酸鸟苷(GDP)结合呈关闭状态。通过这两种形式之间的切换,RAS蛋白调控包括RAF-MEK-ERK、PI3K/Akt/mTOR在内的多个下游通路,从而影响细胞的生长分化以及肿瘤的发生和发展。当RAS基因发生致癌突变会导致RAS蛋白异常持续激活。

RAS家族有3种主要亚型:KRAS、HRAS、NRAS,其中KRAS是最常见的突变基因,在肺癌和结直肠癌等恶性肿瘤中都有较高的发生率。NRAS在RAS突变肿瘤中也占有重要地位,多见于黑色素瘤、急性髓性白血病及结直肠癌等。

在过去很长一段的时间内, RAS蛋白一度被认为是一种「不可成药蛋白」:在化学药开发方向, RAS蛋白结构平滑,表面结合小分子的疏水性口袋不明显;在生物药开发方向,药物穿透细胞膜靶向RAS蛋白的递送效率还有待提升。近年来,针对这类蛋白相关药物的开发取得了重大进展,目前至少有5种KRAS调节剂处于临床开发阶段。此外,已有的临床研究数据表明,靶向治疗尤其是NRAS突变的黑色素瘤,具有重要的治疗价值。    

6月25日,来自北卡罗来纳大学教堂山分校和慕尼黑大学两位科学家在Nature Reviews Drug Discovery上发表文章讨论了针对NRAS驱动癌症的有希望的靶点——STK19 [1]。

图片来源:Nature Reviews Drug Discovery [1]

作者提到,RAS 三磷酸鸟苷酶(GTPase)的致癌突变发生在约20%–30%的人类肿瘤中。然而,RAS蛋白是极具挑战性的药物靶点,目前尚无选择性的NRAS直接抑制剂被报道。最近,丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶19(STK19)被认为是NRAS活性的调节因子,STK19抑制剂的开发可能是相关肿瘤的一个新的干预机会。

生物学功能

20多年前,STK19首次被描述为一种新颖的可以磷酸化α-酪蛋白和组蛋白的丝氨酸/苏氨酸激酶,但直到最近关于它的研究鉴定还非常有限。2019年,波士顿大学医学中心崔儒涛教授、厦门大学生科院邓贤明教授、复旦大学附属肿瘤医院王鹏教授组成的联合研究团队在Cell杂志上发表文章指出,他们利用激酶组siRNA文库筛选发现STK19是NRAS的上游激活子,STK19的敲除抑制了NRAS的活性。研究团队还发现一种STK19突变体通过激活NRAS最普遍突变体NRASQ61R的下游信号,在驱动黑色素瘤发生中起着重要作用。此外,STK19的耗竭减少了活性NRAS的数量,降低了下游信号传导以及黑素细胞的增殖和肿瘤形成能力 [2]。

图片来源:Cell[2]

STK19和NRAS之间的相互作用也被进一步研究,结果显示STK19对NRAS中进化保守的Ser89残基进行磷酸化,增强了NRASQ61R与效应蛋白BRAF、CRAF和PI3Kα之间的相互作用(下图),促进了NRAS介导的黑色素细胞恶性转化。

黑色素瘤中NRAS信号通路的简图(图片来源:Nature Reviews Drug Discovery)

约25%的皮肤黑色素瘤病例中STK19发生改变。对癌症基因组图谱计划(The Cancer Genome Atlas, TCGA)数据库的分析表明,STK19D89N突变占STK19突变的42%,是一种功能增益突变。有趣的是,如果致癌的NRASQ61R也存在,STK19D89N则进一步促进了人类黑色素细胞的增殖和肿瘤的形成。在小鼠中,与单独NRASQ61R突变相比,如果两种蛋白都发生突变,一年后黑色素瘤的发病率增加了7倍。

总之,这些发现证明了抑制STK19作为一种NRAS驱动的黑色素瘤治疗策略的潜力。此外,被STK19磷酸化的 NRAS Ser89 残基在其他RAS家族成员中是保守的,这可能会增加那些STK19可能是有希望靶点的癌症范围。

候选化合物

目前针对STK19的文献报道化合物稀少,主要可能是因为STK19没有被包含在更广泛的激酶筛选panel中。然而,上文提及的崔教授等人最近发表的论文表明,基于喹唑啉的激酶抑制剂ZT-12-037-01(下图左)是STK19的一种有效且高度选择性的抑制剂(IC50 = 35 nM)。ZT-12-037-01在小鼠异种移植模型中显示了对STK19磷酸化的剂量依赖性抑制和NRASQ61R突变型黑色素瘤生长的抑制作用 [2]。

两种已报道的STK19抑制剂的结构和特性(图片来源:Nature Reviews Drug Discovery)

天然产物Chelidonine(上图右)最近也被鉴定为STK19抑制剂(IC50 = 113 nM),其选择性比ZT-12-037-01弱。在小鼠模型中,Chelidonine也抑制了NRAS驱动的肿瘤生长 [3]。

图片来源:Clinical cancer research [3]

研究者们认为,这两种抑制剂为进一步研究STK19生物学和确定RAS驱动癌症的潜在候选药物提供了良好的起点。

然而,2020年6月11日,英国弗朗西斯·克里克研究所Jesper Q. Svejstrup研究组在Cell杂志上发表文章对崔教授等人的研究结果——STK19在NRAS依赖的黑色素瘤中作为驱动因子发挥功能提出质疑 [4]。

他们指出该研究中:

1)STK19基因注释有误,STK19基因编码的是一个29 kDa的蛋白,而41 kDa 版本的STK19几乎不存在;

2)STK19中存在一定几率出现D89N的突变,但该突变只是启动子区域没有功能的突变,不太可能促进NRAS依赖的黑色素瘤生成;

3)STK19是一种核蛋白,对MEK-AKT信号传导几乎没有影响,似乎不是一种激酶。

崔教授研究团队随后作出回复 [5]:

1)通过再次分析数据库中的STK19肽段可以发现,41kDa长度的STK19确实存在,只是表达量相较于29kDa的亚型来说丰度较低。Svejstrup组使用的培养条件与他们之前的研究[2]存在一定的差异,而这可能会影响黑色素瘤细胞的分化状态从而影响STK19的表达量;

2)关于D98N突变在NRAS驱动黑色素瘤生成的功能实验中,除了崔教授团队还有其他几个独立的研究小组证明了STK19 D89突变在皮肤癌中具有统计学意义的驱动突变 [6–8];

3)STK19最初被鉴定为一种激酶,因为它能够结合ATP并能在丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化α-酪蛋白,在丝氨酸残基磷酸化组蛋白 [9]。基于质谱、同位素标记磷酸化和ADP-GloTM激酶检测,崔教授团队证明从昆虫细胞纯化或从人类细胞中免疫共沉淀的商用STK19可以磷酸化NRAS。此外,对于Svejstrup组发现STK19并不会影响与NRAS相关的磷酸化事件(如对MEK/AKT信号的影响)。崔教授团队发现在检测磷酸化蛋白实验中Svejstrup组使用了牛奶和PBST缓冲液,而牛奶中的磷蛋白和PBST中的磷酸盐离子会对某些抗磷特异性抗体产生干扰。

最后,关于Svejstrup组指出崔教授团队使用细胞提取物中的STK19进行实验,不能排除是STK19相关蛋白发挥激酶作用的论断,崔教授团队表示接受,因为目前的证据不能排除STK19相关蛋白对激酶活性的贡献。

崔教授团队认为还需要进一步的工作来确定STK19每个亚型中潜在的分子内相互作用是否以及如何被调节;每个亚型是否具有不同的功能、亚细胞定位和相互作用伙伴。最重要的是,未来的工作需要确认哪些与STK19相互作用的激酶可能参与磷酸化和激活NRAS。

相关论文:

[1]Christopher R.M. Asquith et al. STK19: a new target for NRAS-driven cancer. Nature Reviews Drug Discovery(2020)

[2]Chengqian Yin  et al. Pharmacological Targeting of STK19 InhibitsOncogenic NRAS-Driven Melanomagenesis. Cell (2019)

[3]Ling Qian et al. TargetingNRAS-Mutant Cancers with the Selective STK19 Kinase Inhibitor Chelidonine. Clinical cancer research (2019)

[4]Marta Rodríguez-Martínez et al. Evidence That STK19 Is Notan NRAS-dependent Melanoma Driver. Cell (2019)

[5]Chengqian Yin et al. A Reply to ‘‘Evidence that STK19 Is Not an NRAS-Dependent Melanoma Driver」. Cell (2019)

[6] Chang, M.T., et al. Identifying recurrent mutations in cancer reveals widespread lineage diversity and mutational specificity.Nat. Biotechnol. (2016).

[7]Garman, B.,et al. Genetic and Genomic Characterization of 462 Melanoma Patient-Derived Xenografts, Tumor Biopsies, and Cell Lines. Cell Rep.(2017).

[8] Hodis, E.,et al. A landscape of driver mutations in melanoma. Cell(2012).

[9] Gomez-Escobar, N., et al. The G11 gene located in the major histocompatibility complex encodes a novel nuclear serine/threonine protein kinase. J. Biol. Chem. (1998)

参考资料:

1#Nature:KRAS药物进入「爆发期」,5款产品开展人体试验(来源:医药魔方Pro)

2#谢雨礼博士 | AMG 510只是攻克RAS的一小步(来源:药时代)

3#学术争鸣 | 黑色素瘤的研究之争(来源:BioArt)

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