Cell | Ras、Rho 和 Rab 家族 GTP 酶的靶向药物开发

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2024-09-29 16:35

正文

引言

GTP酶及其调节因子作为分子开关，在许多细胞生命活动以及疾病特别癌症和发育疾病中，发挥着关键作用【1】。这些蛋白大多数属于小GTP酶的Ras超家族，包括Ras、Rho、Rab、Arf和Ran家族。选择性靶向这些蛋白质可能成为疾病治疗的有效策略【2】。然而，由于GTP酶中核苷酸的结合亲和力较高，并且缺乏变构位点，曾被认为是“不可成药”的靶点。

近日，美国加州大学旧金山分校的Kevan M. Shokat团队在Cell期刊发表题为Targeting Ras-, Rho-, and Rab-family GTPases via a conserved cryptic pocket（通过一个保守的隐秘口袋靶向 Ras-、Rho- 和 Rab- 家族 GTP 酶）的文章。研究发现，在K-Ras的switch II区域存在一个隐秘的变构口袋，这个口袋在其他Ras、Rho和Rab家族的GTP酶中也存在。这一发现为靶向GTP酶的抑制剂优化和开发带来了新的希望。

最近，在K-Ras中发现的隐秘变构switch II口袋（SII口袋）推动了针对K-Ras（G12C）突变癌症的治疗药物开发，如LUMAKRAS和Krazati【3】。此外，其他候选药物如GDC6036也在临床试验中取得了良好结果【4】。然而，目前K-Ras的可成药性仍然是一个特殊案例，其他GTP酶是否能够以类似方式被靶向尚不明确。

靶向Ras家族GTP酶

首先，研究人员发现，K-Ras（G12C）抑制剂不仅可以有效靶向K-Ras本身，还能靶向H-Ras（G12C）和N-Ras（G12C）。这些抑制剂通过与SII口袋结合发挥作用，前提是存在合适的配体。同时，他们在a3螺旋上发现了几个关键残基，这些残基与SII口袋中的配体结合密切相关。尽管这些残基在不同小GTP酶中保守性较低，但SII口袋及a3螺旋上的基团对口袋形状和抑制剂的结合至关重要。研究还发现，一些K-Ras（G12C）抑制剂对N-Ras（G12C）驱动的肿瘤具有潜在的治疗效果。Ras超家族GTP酶及其亚家族的序列存在差异。实验显示，RalA（G23C）和Rap1A（G12C）在与SII口袋抑制剂的共价结合方面表现出不同的动力学特征。RalA（G23C）与MRTX1257或divarasib结合的速度较快，且具有较高的热稳定性。突变型Rap1A（G12C, L96F）与抑制剂的结合速度显著提高。其他GTP酶如Rit1和M-Ras也能被SII口袋抑制剂有效靶向，但Rheb的靶向效果较差。为了验证MRTX1257对RalA（G23C）的结合是否类似于对K-Ras（G12C），研究人员分析了RalA（G23C）、GDP和MRTX1257的复合物。结果显示，GDP和MRTX1257的结合显著提高了RalA（G23C）的结构稳定性。进一步研究表明，MRTX1257和divarasib能有效抑制RalA（G23C）和Rap1A（G12C, L96F），并且divarasib与RalA和Rap1A的结合是可逆的，这表明开发靶向GTP酶的可逆抑制剂是可行的。此外，研究还考察了一种新型三联体抑制剂（包括K-Ras（G12C）、化学配体和亲环蛋白A（CypA））。通过对新配体RMC-4998的晶体结构分析，发现K-Ras的关键残基可以与CypA形成氢键，促进配体结合。进一步研究表明，RMC-6291能够有效靶向其他具有高度序列同源性的Ras家族GTP酶。

靶向其他GTP酶

接下来，研究人员探讨了K-Ras（G12C）抑制剂通过SII口袋靶向Rho和Rab家族GTP酶的潜力。结果显示，尽管RhoA和Rac1，以及Rab1A和Rab5C的靶向效果不错，但与Ras家族GTP酶相比，这些抑制剂在Rho和Rab家族中的效果较差，这可能与α3螺旋上的残基差异有关。特别是，divarasib对Rac1（G12C）的靶向较为迅速，但SII口袋中特定残基的变异显著影响了靶向效果。实验还发现，divarasib没有显著提高Rac1的热稳定性，并且其靶向效果受核苷酸状态的影响。此外，MRTX1257和divarasib同样是Rab家族GTP酶Rab1A（S20C）和Rab5C（S30C）的有效共价配体。进一步研究表明，MRTX1257和divarasib能完全靶向Rab1A（S20C），而对Rab5C（S30C）的靶向效果则较差。研究结果还显示，优化后的K-Ras（G12C）配体在靶向Rho和Rab GTP酶方面的效果仍需改进。此外，对双突变体Rac1（G12C, K96H）的功能实验显示，divarasib可以有效减少Rac1与PAK1的结合。

GTP酶抑制剂的开发

最后，研究人员利用分子动力学（MD）和量子力学（QM）模拟，设计并测试了22种新化合物，旨在开发靶向不同GTP酶（如Rac1、Rab1A和Rab5C）的选择性配体。通过比较SII口袋的结合构象和标记动力学，他们发现化合物11在Rac1（G12C）和Rab1A（S20C）中的表现优异，其靶向速度约为divarasib的两倍。研究还显示，甲基萘作为C7取代基可以优化对Rab5C（S30C）的靶向速度。此外，不同GTP酶对C2位置取代基的敏感性也有所不同。扩展后的化合物库同样能够有效靶向K-Ras（G12C），显示出进一步开发的潜力。这些发现为设计选择性配体提供了重要的指导。

综上所述，该研究发现GTP酶家族中SII口袋的关键结构是保守的，这使得靶向多种GTP酶成为可能，并为开发GTP酶的可逆抑制剂提供了新的机会。

模式图（Credit: Cell）

参考文献

1. Vetter, I.R., and Wittinghofer, A. (2001). The Guanine Nucleotide-Binding Switch in Three Dimensions. Science 294, 1299-1304. https://doi.org/10.1126/science.1062023.

2. Rojas, A.M., Fuentes, G., Rausell, A., and Valencia, A. (2012). The Ras Protein Superfamily: Evolutionary Tree and Role of Conserved Amino Acids. J. Cell Biol. 196, 189-201. https://doi.org/10.1083/jcb.201103008.

3. Kim, D., Xue, J.Y., and Lito, P. (2020). Targeting KRAS(G12C): From Inhibitory Mechanism to Modulation of Antitumor Effects in Patients. Cell 183,850-859. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.044.

4. Sacher, A., LoRusso, P., Patel, M.R., Miller, W.H., Garralda, E., Forster, M.D., Santoro, A., Falcon, A., Kim, T.W., Paz-Ares, L., et al. (2023). GO42144 Investigator and Study Group. Single-Agent Divarasib (GDC-6036) in Solid Tumors with a KRAS G12C Mutation. N. Engl. J. Med.389, 710-721. https://doi.org/10.1056/NEJMoa2303810.

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.017

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArt”

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