上海血液学研究所卢敏团队实质性获得靶向药物的圣杯 — p53突变体复活剂
发布日期:2020-12-25 浏览次数:1702

      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”)。

      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)。

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

   

      本期Cancer Cell报道了以陈硕为共同第一作者,卢敏为共同通讯作者的抑癌蛋白靶向理论,以及其鉴定的p53功能恢复化合物三氧化二砷(ATO),这提供了解决这两个问题的范例。

 

论文首页

 

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。

突变使p53失去抑癌功能的机制有多种,不太可能存在可以复活所有突变型p53的全能化合物

 

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。

导致p53结构不稳定的C124-M133-C135-C141空腔,刚好提供了砷结合位点

     
      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。(据透露,卢敏研究员在六年前回国后的不久,就筛到三氧化二砷并完成了以上工作效率的测定。但考虑到国际上至少有45个团队曾报道获得基于p53突变来杀死癌细胞的化合物,但又未能提供明确机制的情况下(Y220C情况特殊,不在讨论之列),卢敏团队10余位成员又花费近6年时间完成了p53-砷共结晶结构的解析,明确了p53功能复活的机制,才开始投稿。)
 
 

三氧化二砷恢复p53蛋白折叠能力的量化数据

   
      在论文收尾的图7中,研究提出了三氧化二砷只能用于治疗结构突变型p53患者。在绝大部分以往报道的p53靶向化合物的研究中,研究者认为这些化合物可以复活各种各样的p53突变体(包括进入临床三期的APR-246),但往往只测试了对1-2个突变体的复活效果。该研究则基于结晶结构揭示的三氧化二砷工作机制,明确指出三氧化二砷只能复活结构型p53突变体,并测试了突变频率最高的25个突变体(40%的p53突变患者含有这25个突变中的1个)进行了证实。总之,尽管全球一半癌症人口发生p53突变,砷剂靶向p53“老药新用”具有广阔的应用前景,但将来临床治疗或临床试验需精准地挑选p53突变患者,谨慎使用三氧化二砷(砒霜)。
 
 
  三氧化二砷只能恢复结构突变型p53的抑癌功能
 
   该研究最大的启发也许不在p53蛋白本身,而在于它潜在开拓了抑癌蛋白靶向治疗领域。研究提出了逻辑性恢复抑癌蛋白功能的理论并在结晶结构研究中进行了证实,并提供了化合物实例,支持抑癌蛋白有可能成药!第二个启发在于精准治疗领域。研究首先支持了(基于基因突变的肿瘤)精准治疗的必要性,此外还提出了高于当前主流的精准需求。当前主流的癌症靶向药精准化治疗主要是指“基于目标基因是否发生突变来决定是否用药”。而三氧化二砷靶向p53不仅需要考虑p53是否突变,还需考虑是否是结构型突变,以及是否是可被三氧化二砷复活的那一类结构型突变。拟开展的不限癌种精准入组含有可以被三氧化二砷复活的p53突变患者的“篮子临床试验”,有可能加快让本发现造福癌症患者。该发现获若干底层专利簇,并进入若干欧美国家,已启动转化和临床试验。
 
 
 
 
 
附三位领域相关专家点评
 
      三氧化二砷领域专家陈国强:我国学者在全反式维甲酸(ATRA)和三氧化二砷(ATO)及其联合应用治疗急性早幼粒细胞性白血病(APL)的临床和基础研究方面做出了重要开拓性贡献。值得引起关注的是,在上世纪70年代哈尔滨进行的超过1000人的砷剂临床用药中,也初步发现砷剂可能对其它肿瘤如淋巴瘤、食管癌、慢性髓细胞性白血病等患者有一定治疗效果。有关ATO治疗APL外其他肿瘤的临床试验在最近二十年中得到广泛开展。据统计,截止目前,在clinicaltrials.gov上登记的砷剂抗肿瘤临床试验超过150项,其中超过100项是在非APL型血液肿瘤和实体瘤上的“老药新用”临床试验。初步临床试验发现ATO对肝癌1,2,多发性骨髓瘤3,MDS和CMML白血病4-6,难治性结直肠癌7也具有一定的治疗效果。然而,总体而言,ATO在非APL白血病上的临床缓解率低。发现APL特有的PML-RARa以外的ATO作用靶点,精准选择可能取得疗效的病人,是实现ATO“老药新用”的重要环节。近日,上海交通大学医学院附属瑞金医院卢敏研究员等发表在Cancer Cell上的工作揭示ATO可直接靶向结构突变型p53,促使这一类蛋白更容易折叠并恢复其抑癌功能。该研究显示,相比于已经报道的p53靶向化合物低下或者难以检测的p53复活效率,ATO在复活p53效率上具有一到多个数量级上的优势,并具明确的p53突变适用谱,即诱导p53不折叠的那一类“结构型突变”。ATO靶向结构突变型p53和在治愈APL时靶向PML-RARα有异曲同工之妙8,即它都结合靶蛋白上的氨基酸序列上距离较远但空间位置靠近的多个半胱氨酸,都引起靶蛋白结构变化,进而诱导促癌靶蛋白“改邪归正”。不同的是,p53作为分子生物学历史上被研究次数和被引用次数都遥遥领先任何其余蛋白的一个蛋白9,其结构型突变发生于全球20-30%癌症患者,这超过了临床上现有上百个靶向抗癌药可适用人群的总合(2-13%癌症患者具有这些靶向药物可针对靶点的突变10 11)。这是一项少见的获得我国自主知识产权的转化型研究。据了解,基于该论文展示的数据、国际上几十个团队在竞争研究(发)突变型p53靶向药物的现状12、以及ATO在临床上被证实的安全性和一定的缓解率,该发现已进入药企转化和临床试验(NCT03855371)。
   
 
      蛋白结构领域专家饶子和:小分子靶向药物的开发是肿瘤靶向治疗领域关注的核心和热点问题。目前,靶向癌蛋白、并抑制其功能的小分子靶向药物是肿瘤靶向治疗领域的一个重要药物门类。其中,由于激酶含有一个较深的ATP结合口袋可供化合物结合,而化合物占据该口袋将抑制激酶的催化活性,具有两项药物开发的“特有便利”(有口袋、有逻辑),因此激酶成为目前肿瘤靶向治疗领域关注的重点“靶分子”。抑癌蛋白是一类由正常细胞编码、可抑制细胞生长并具有潜在抑癌作用的蛋白,在控制细胞生长、增殖及分化过程中起着十分重要的负调节作用,当发生突变、缺失时失去抑癌功能,引起细胞恶性转化而导致肿瘤的发生。靶向抑癌蛋白与靶向癌蛋白的药物开发途径截然相反,开发的靶向药物需恢复(而不是抑制)蛋白的正常活性,以抑制肿瘤的发生、发展。然而,到目前为止,尚无靶向抑癌蛋白的小分子药物被成功开发。主要科学问题有二,第一是抑癌蛋白缺乏合适的口袋;第二是缺乏药物开发的“科学逻辑”,即化合物结合相对而言比较容易抑制蛋白的功能,但却较难恢复蛋白的功能。p53作为癌症中突变频率远超其余任何一个蛋白的明星分子,其靶向药物被领域内称为“众所周知的圣杯”。尽管过去几十年已经有几十个p53靶向化合物被报道,但这些化合物恢复p53功能的效率低下,靶向p53“无口袋、无逻辑”这两个科学难题始终难以解决。近日,陈硕(共同第一作者)、卢敏(共同通讯作者)在Cancer Cell上发表论文,对p53功能恢复理论、靶向p53的药物发现进行了深入探索,提出了解决靶向p53“无口袋、无逻辑”这两个科学难题的可能原理和途径。一方面,他们通过p53序列和结构的分析,发现尽管p53表面缺乏一个合适的结合口袋,但p53蛋白内部的Phe、Val、Ile等强疏水大侧链的氨基酸随着物种进化变成了中等疏水小侧链的Cys和Met,使人源p53分子内部形成一个相对明显的空腔,可作为化合物的结合口袋,解决了p53“无口袋”这个难题。另一方面,p53蛋白内部形成空腔后,会造成整体结构的不稳定性增加,一旦维持p53结构的氨基酸发生突变(约30%癌症患者含有这类突变),p53蛋白将失去正确的折叠和正确的空间结构,进而失去抑癌功能。他们发现,如果利用砷原子填补该空腔,并用三个共价键强有力稳定该空腔,将使p53结构异常稳定,可以在癌症相关突变发生后,依然维持p53的正确结构和功能,使之能够继续发挥抑癌功能,这明确了靶向p53蛋白的小分子成药的“科学逻辑”。该项成果在抑癌蛋白靶向治疗领域的理论层次取得突破,依据于该理论发展的小分子靶向药物已进入I/II期临床试验。尽管该研究解决了靶向p53时“无口袋”、“无逻辑”这两项科学难题,但该解决方法并不一定适用于其余抑癌蛋白,靶向其他抑癌蛋白(如PTEN、APC、RB1等)时仍将需要漫长的探索,需要通过长期“坐冷板凳”开展底层基础研究来再次获得突破。该研究受到国家重点研发计划蛋白质专项资助。
   
 
      中药领域专家林国强:我国在使用中药单体治疗重大疾病上做了出重要贡献,其中包括国际公认的青蒿素衍生物治疗疟疾,三氧化二砷(ATO)治疗APL白血病。这两项成果经历了中药现代化道路上的漫长探索:其一是用乙醚实现青蒿素的高效萃取、在艰苦条件下测定青蒿素结构并完成全合成、青蒿素结构改造、最终实现工业化造福病人;其二是明确砷剂复方的最佳适应症、复方去汞留砷、明确ATO作用靶点PML-RARα、最终与ATRA联用治愈了APL白血病。总之,有效成分物质化、治疗机制明确化、小分子化学结构改造合理化及临床结果清晰等为核心的中药现代化让这两项伟大发现走出国门,造福全球无数患者。但中药宝藏远未充分挖掘,比如:经络的物质基础是什么?对某些疾病已明确有治疗效果的针灸的治疗机制是什么?中药复方各个成分搭配使用的科学依据是什么?等等,有待我们深入探索。本期Cancer Cell上线了由瑞金医院卢敏研究员等对中药单体小分子ATO抗肿瘤机制的一项突破性工作。在该论文中,ATO释放砷原子,共价结合抑癌蛋白p53内部的C124-C135-C141空腔,固定了突变型p53三级结构,并使其保留转录功能和抑癌功能,最终展示出依赖结构突变型p53的细胞增殖抑制能力和抗CDX及PDX肿瘤模型的能力。研究的三项亮度在于:1)癌症中一半以上的高频突变基因编码抑癌蛋白,但临床使用的靶向药物无一靶向于这类蛋白。本研究提出了基于结构稳定性的抑癌蛋白靶向理论,并通过共结晶、提供小分子化合物这两项实例证实了这一理论靶向抑癌蛋白的可行性。2)被ATO靶向的蛋白是被称为“基因组守卫者(guardian of the genome)”的p53。p53在全球一半癌症患者发生突变,在我国五大高发肿瘤(肺癌、乳腺癌、结直肠癌、胃癌、肝癌)上的突变率超过40%,在卵巢癌、小细胞肺癌、肺鳞癌、食管癌、头颈癌上的突变率超过80%。3)论文展示的数据表明,ATO对p53热力学稳定性、蛋白折叠、转录活性等各项指标上的恢复效率,均在若干数量级上,优于已报道的p53功能恢复化合物。我国和希腊早在2000多年前就使用含砷物质治疗包括肿瘤在内的各种疾病,使用砷剂治疗各种非APL肿瘤的临床试验观察到疗效也有报道,因此中药砷剂治疗非APL肿瘤具有一定的实践依据。然而,对能否使用ATO直接实现“老药新用”仍需保持谨慎乐观的态度。鉴于砷剂是众所周知的高毒性物质,基于p53/As结晶结构进行逻辑性改造,以获得保留p53激活活性的低毒的有机砷,或砷的复方制剂,是一个可以考虑的突破口。