科学家绘制首个完整蛋白的变构抑制图谱，已成立初创公司助力新药研发
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麻省理工科技评论-科学家绘制首个完整蛋白的变构抑制图谱，已成立初创公司助力新药研发
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。
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。
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。
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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