蛋白质设施用户成功摘取靶向药物的圣杯—p53突变体复活剂
时间 : 2020-12-31     

 p53在人类癌症中突变频率遥遥领先其余任何蛋白(TCGA)。p53在分子生物学诞生以来被研究次数遥遥领先其余任何蛋白(Dolgin, Nature, 2017)。p53在科学论文中被引用次数过去20年来每一年都遥遥领先其余任何蛋白(Dolgin, Nature, 2017)。p53在全球约一半癌症患者发生突变,意味着p53靶向药物理论上可用于全球约50%的癌症患者,该群体远高于目前临床使用的一百多个靶向抗癌药适用群体的总合——2-13%癌症患者(Prasad, Nature,2016;Tannock, New England Journal of Medicine, 2016)。因此,p53靶向药物被科学界和工业界广泛地称为靶向领域的圣杯(至少14篇文献称之为“Holy Grail”)。

  
  
癌症中突变频率最高的100个基因,以及临床使用的靶向药物  

但获得该圣杯需从0到1克服两项科学难题。第一,p53是抑癌蛋白,发生突变后失去抑癌功能,因此靶向p53需要恢复(而非抑制)蛋白功能,但学术界和工业界尚无成功靶向抑癌蛋白的先例:癌症中最高频突变的100个基因中,有51个编码抑癌蛋白,然而临床上一百多个靶向药物几乎都靶向癌蛋白,而无一靶向抑癌蛋白。靶向抑癌蛋白不仅缺乏成功先例,甚至缺乏明确的逻辑支持:化合物结合到蛋白上,有可能导致蛋白功能受到抑制(如果化合物占据活性位点的话),但如何导致蛋白功能恢复?其逻辑是什么?第二,p53蛋白表面光滑,没有合适的口袋,化合物难以结合。癌症超级重磅靶点p53、PTEN、Bcl-2、KRAS、myc等等很大程度上都是因为缺乏合适的化合物结合口袋而在成药道路上困难重重。总之,这两项底层的科学挑战阻碍了科学家和药企难以获得该圣杯:过去几十年来,国际上至少有45个团队报道获得了以p53突变为治疗靶点的靶向化合物,其中有17个团队报道获得p53功能恢复化合物,但大多数(如果不是全部的话)这些化合物的活性都难以被检测到(Sabapathy,Nature reviews clinical oncology,2017)。  

2020年12月24日,国家蛋白质科学研究(上海)设施用户上海交通大学瑞金医院卢敏团队在Cancer Cell杂志上发表了文章Arsenic Trioxide Rescues Structural   p53 Mutations through a Cryptic Allosteric Site,提出了抑癌蛋白靶向理论,以及鉴定了p53功能恢复化合物三氧化二砷(ATO),提供了解决这两个问题的范例。  

该文先解决第一个科学难题:制定逻辑性p53复活理论。p53上可发生超过1000个突变,这些突变使p53功能缺失的机制有很多种,包括但不限于:发生于结构维持氨基酸上的突变,它们导致蛋白不折叠(又叫结构型突变);发生于DNA结合氨基酸上的突变,它们不能抑制p53折叠,但直接导致p53不能结合DNA(又叫DNA结合型突变)等等。总之,这些突变通过不同的机制使p53不能结合DNA,进而不能发挥转录功能,进而失去抑癌功能。不同于以往绝大多数p53筛药策略(基于表型进行盲筛,试图筛到能复活所有突变型p53的全能化合物。比如已进入临床III期的APR-246,发现者认为其既可以复活结构型突变R175H,又可以复活DNA结合型突变R273H),该研究专门针对结构型p53突变进行筛药,其逻辑依据是:世界上可能不存在能复活所有p53突变体的“全能化合物”,既然结构型突变通过使p53不能折叠来失活p53,那么可以筛选能促进p53折叠的小分子,这样就可以逻辑性恢复这一类突变体的功能。  

该文之后解决了第二个科学难题:该文发现人源p53蛋白内部含有由因为进化而形成的C124-M133-C135-C141空腔,造成人源p53三级结构不稳定。一旦维持p53结构的氨基酸发生突变(即结构型突变),蛋白将不能折叠,进而失去抑癌功能。砷原子填补该空腔并提高p53结构稳定性,使p53发生结构型突变后仍然保持三级结构以及抑癌功能。正是这个空腔解决了p53“无口袋”这个难题。 

 
  
三氧化二砷释放砷离子,结合至p53的C124-M133-C135-C141口袋  

研究最终筛到了三氧化二砷(ATO)等化合物为高效的p53功能恢复化合物。对三氧化二砷的p53功能恢复效率测定表明,其在恢复p53热力学稳定性、蛋白折叠、转录活性等各项指标上,均在若干数量级上优于已报道的p53功能恢复化合物。这是首次对筛到的p53靶向化合物的工作效率进行量化测定,并将之与已报道的同类化合物进行头对头系统性比较的研究。  

该发现获若干底层专利簇,并进入33个欧美国家,已启动转化和临床试验。  

国家蛋白质科学研究(上海)设施BL19U1线站、BL18U1线站、BL19U2线站及BL01B线站,上海光源BL17U1线站工作人员为该工作提供了及时有效的支持。 

  
三氧化二砷恢复p53蛋白折叠能力优于同类化合物若干数量级  

(蛋白质设施上海提供)