原創(chuàng) 奇點(diǎn)糕 奇點(diǎn)網(wǎng) 收錄于話(huà)題#眾病之王癌癥17個(gè)

我怎么也沒(méi)想到，古老的砒霜會(huì)在21世紀(jì)與最強(qiáng)抑癌蛋白p53相遇，而且還成為恢復(fù)突變p53抑癌能力的最強(qiáng)“潛力股”。

近日，由上海交通大學(xué)瑞金醫(yī)院盧敏和牛津大學(xué)Xin Lu領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，砒霜（三氧化二砷，ATO）中的砷原子竟然能插入發(fā)生結(jié)構(gòu)性突變、不能正常折疊的p53蛋白的DNA結(jié)合域，幫助突變p53蛋白折疊出有抑癌功能的三級(jí)結(jié)構(gòu)[1]。

更重要的是，這項(xiàng)研究成果一舉解決了困擾p53靶向藥物開(kāi)發(fā)的兩大科學(xué)難題：無(wú)邏輯、無(wú)口袋。

換句話(huà)說(shuō)，盧敏等的研究成果證實(shí)：一直被認(rèn)為缺乏邏輯支撐的“通過(guò)靶向藥物恢復(fù)突變蛋白活性”的思路，在p53蛋白上是可行的；一向被認(rèn)為缺乏靶向藥物結(jié)合口袋的p53蛋白，確實(shí)隱藏著一個(gè)不為人知的砷原子結(jié)合口袋。

總的來(lái)說(shuō)，這是抑癌蛋白p53靶向治療近40年來(lái)取得的重大突破，靶向治療或由此迎來(lái)新一輪爆發(fā)?；诒狙芯砍晒南嚓P(guān)臨床研究（PANDA-T0；NCT03855371），也在瑞金醫(yī)院的主持下開(kāi)展[2]。

相關(guān)研究成果發(fā)表在著名期刊Cancer Cell上，盧敏和Xin Lu是共同通訊作者，陳碩、Wu JiaLe、Liang Ying、Tang YiGang為共同第一作者。

▲ 本研究論文截圖

小分子靶向治療藥物的誕生，改寫(xiě)了很多癌癥的治療范式。

然而，目前已經(jīng)獲批用于臨床治療的靶向藥物覆蓋的患者并不多。這在一定程度上是受靶向藥物開(kāi)發(fā)策略的影響。

我們都知道，在人體內(nèi)有原癌基因和抑癌基因。原癌基因突變后，就會(huì)編碼癌蛋白，誘發(fā)癌癥；而抑癌基因突變，會(huì)導(dǎo)致抑癌蛋白失去抑制癌癥形成和發(fā)展的能力。因此，從理論上講，消除癌蛋白和恢復(fù)抑癌蛋白活性，都能用于癌癥的治療。

不過(guò)，事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

以各種各樣激酶為代表的癌蛋白存在一個(gè)與ATP結(jié)合的口袋，只要開(kāi)發(fā)相關(guān)藥物，能占據(jù)或阻止ATP的進(jìn)入，即可抑制癌蛋白的促癌活性。

而因突變失活的抑癌蛋白，開(kāi)發(fā)藥物的思路則完全是要反其道而行之：恢復(fù)抑癌蛋白的活性。這項(xiàng)拯救工作的難度有多大，從臨床獲批的藥物就能看出來(lái)。投入臨床使用的癌蛋白靶向藥物已經(jīng)有100多個(gè)了，而抑癌蛋白的靶向藥物這一數(shù)據(jù)是0。

這背后的主要原因是：第一，恢復(fù)蛋白功能從邏輯上講是極難實(shí)現(xiàn)的；第二，抑癌蛋白缺少讓小分子藥物結(jié)合的口袋。

盡管開(kāi)發(fā)抑癌蛋白靶向藥物難度極大，但還是阻擋不住科學(xué)家的熱情。就拿p53這個(gè)抑癌蛋白來(lái)說(shuō)，全球約50%的癌癥患者發(fā)生突變。這也就意味著，從理論上講，僅p53靶向藥物就可用于治療全球約50%的癌癥患者，而目前已經(jīng)獲批用于臨床治療的100多個(gè)靶向抗癌藥加在一起，也僅能用于2-13%癌癥患者的治療[3，4]。

▲ p53突變所占比例

也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，p53成為迄今為止被研究的最多的蛋白[5]。

科學(xué)家們的努力也沒(méi)有白費(fèi)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，由393個(gè)氨基酸組成抑癌蛋白p53包括3個(gè)功能域：發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活作用的N端功能域；幫助p53定位的C端功能域；以及位于中間的DNA結(jié)合域（DBD）[6]。

p53的突變類(lèi)型多樣，有基因片段缺失、插入，點(diǎn)突變引起的錯(cuò)義突變等。不過(guò)，在所有突變類(lèi)型中，占主導(dǎo)地位的還是點(diǎn)突變引起的錯(cuò)義突變，占比高達(dá)80%[6]。更重要的是，97%的點(diǎn)突變發(fā)生在DNA結(jié)合域[6]。

從結(jié)構(gòu)上看，上述點(diǎn)突變對(duì)p53 和DNA相互作用影響的機(jī)制可以分成兩類(lèi)[7，8]：其中一些p53突變（如突變熱點(diǎn)Arg248和Arg273處的突變）導(dǎo)致p53不能與DNA接觸；而其余的許多突變則被稱(chēng)為結(jié)構(gòu)性突變（如熱點(diǎn)Arg175、Gly245、Arg249和Arg282處的突變），這些突變損害了p53的DNA結(jié)合域（DBD）結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致p53無(wú)法正常折疊，不能與DNA緊密結(jié)合，因此喪失了抑癌能力。

▲ 不難看出，p53突變不僅主要分布在DBD區(qū)域，而且異質(zhì)性非常高

實(shí)際上，在過(guò)去的幾十年里，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多有拯救p53突變潛力的先導(dǎo)化合物[9，10]，只不過(guò)這些化合物恢復(fù)p53功能的效率比較低。

盡管如此，盧敏和他的同事還是認(rèn)真研究了這些化合物的特點(diǎn)。他們注意到這些化合物都有一個(gè)有趣的特點(diǎn)，即能夠結(jié)合半胱氨酸的硫醇基團(tuán)[9，11]。

基于此，他們進(jìn)一步假設(shè)，當(dāng)p53的DNA結(jié)合域被結(jié)構(gòu)性突變損害時(shí)，那些能夠結(jié)合多個(gè)半胱氨酸的化合物或許可以穩(wěn)定p53，恢復(fù)p53的抑癌活性。他們還推測(cè)，通過(guò)這種方法，或許能找到拯救p53結(jié)構(gòu)性突變的通用化合物，而這些突變合計(jì)占所有p53突變的一半以上。

▲ 假想的候選化合物可能的結(jié)合位點(diǎn)

有了上述假設(shè)之后，盧敏團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始著手篩選能與2個(gè)及以上半胱氨酸結(jié)合的小分子。最后通過(guò)5個(gè)具有p53結(jié)構(gòu)性熱點(diǎn)突變的細(xì)胞系（R175H等）實(shí)驗(yàn)，從DTP數(shù)據(jù)庫(kù)的20861個(gè)小分子[12]中篩選到4個(gè)化合物。

▲ 篩選到的4個(gè)化合物結(jié)構(gòu)

通過(guò)優(yōu)先識(shí)別折疊p53蛋白的抗體PAb1620檢測(cè)，研究人員發(fā)現(xiàn)，砒霜和KAsO2對(duì)有R175H結(jié)構(gòu)性突變p53蛋白的折疊存在驚人促進(jìn)作用。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是砒霜能恢復(fù)有R175H結(jié)構(gòu)性突變p53蛋白的抑癌活性。而另外兩種化合物的這種活性則要弱的多。

隨后研究人員用另外4個(gè)不同的p53結(jié)構(gòu)性突變細(xì)胞系檢驗(yàn)了砒霜的效果，用PAb1620抗體檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，竟達(dá)到了野生p53蛋白的水準(zhǔn)。

劑量研究表明，僅需低至0.1μg/mL的砒霜，就足以促進(jìn)結(jié)構(gòu)性突變p53蛋白在給藥的15分鐘之后正確折疊。

總的來(lái)說(shuō)，研究人員通過(guò)多級(jí)篩選研究，確定了含砷化合物能有效地重新激活最常見(jiàn)的p53結(jié)構(gòu)性突變體。

隨后的研究發(fā)現(xiàn)，砒霜是通過(guò)共價(jià)結(jié)合穩(wěn)定結(jié)構(gòu)性突變的p53折疊。而且與之前發(fā)現(xiàn)的化合物，以及本研究中發(fā)現(xiàn)的其他化合物相比，砒霜的穩(wěn)定作用遠(yuǎn)超其他化合物。

▲ 砒霜與其他化合物的共價(jià)結(jié)合比較

為了弄清楚砒霜恢復(fù)結(jié)構(gòu)性突變p53的機(jī)制，盧敏團(tuán)隊(duì)10余位成員又花費(fèi)近6年時(shí)間完成了p53-砷共結(jié)晶結(jié)構(gòu)的解析，明確了p53功能復(fù)活的機(jī)制[13]。總的來(lái)看，p53-砷復(fù)合物與已公布的p53 DBD結(jié)構(gòu)重疊性良好。

具體來(lái)看，砷與DNA結(jié)合域的Cys124、Cys135和Cys141相互作用，與此同時(shí)，Met133的側(cè)鏈朝向砷，并與砷原子之間存在范德華相互作用。正是DNA結(jié)合域中的這4個(gè)氨基酸殘基，搭建了一個(gè)可以與砷原子結(jié)合的口袋。

▲ 砷原子結(jié)合口袋全貌

由于p53本質(zhì)上是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，因此檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)性突變p53功能恢復(fù)的辦法之一是檢測(cè)轉(zhuǎn)錄的激活狀況。研究結(jié)果顯示，砒霜能介導(dǎo)所有攜帶結(jié)構(gòu)性突變p53的測(cè)試細(xì)胞系轉(zhuǎn)錄重新激活，而對(duì)于影響p53與DNA接觸的突變類(lèi)型，砒霜?jiǎng)t沒(méi)有激活的作用。

既然如此，砒霜的抗癌效果究竟如何呢？

盧敏團(tuán)隊(duì)隨后在CDX和PDX小鼠模型上探索了砒霜的抗癌效果。砒霜的使用劑量是5mg/kg，這個(gè)劑量在小鼠中產(chǎn)生0.05-0.2μg/mL 砷血漿濃度，在砒霜治療的急性早幼粒細(xì)胞白血?。ˋPL）患者中可以達(dá)到，而且不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的毒性[14，15]。

血液腫瘤的研究顯示，砒霜顯著延長(zhǎng)了小鼠的中位生存時(shí)間，而實(shí)體瘤研究也顯示，小鼠的腫瘤體積僅為對(duì)照組的10%左右。

以上的研究表明，砒霜確實(shí)有強(qiáng)烈的抑癌作用。

▲ 血癌（上）和實(shí)體瘤（下）的研究結(jié)果

而且與一線(xiàn)化療藥物順鉑的比較顯示，砒霜對(duì)非小細(xì)胞肺癌的抑制作用與順鉑相似。

分析背后的作用機(jī)制發(fā)現(xiàn)，在砒霜處理的PDX腫瘤中檢測(cè)到p21的上調(diào)，而在順鉑處理的PDX腫瘤中沒(méi)有檢測(cè)到。

相比之下，與對(duì)照組相比，順鉑處理的腫瘤中DNA損傷標(biāo)志物表達(dá)的增強(qiáng)更為強(qiáng)烈，而砒霜處理的腫瘤中沒(méi)有。

這也意味著順鉑和砒霜的抗癌機(jī)制并不相同，而且砒霜抗癌的原因至少有部分是因?yàn)橹匦录せ盍私Y(jié)構(gòu)性突變的p53蛋白。

▲ 順鉑（CIS）和砒霜（ATO）的比較

在研究的最后，盧敏團(tuán)隊(duì)成員探討了另一個(gè)重要的問(wèn)題：砒霜的適用范圍究竟有多大。

于是他們挑選了25個(gè)最常見(jiàn)的p53突變，它們都位于DNA結(jié)合域，且占到了癌癥中p53錯(cuò)義突變的40.87%。其中18個(gè)是結(jié)構(gòu)性突變，另外7個(gè)是DNA接觸性突變。

▲ 25個(gè)突變的分布

總的來(lái)看，大部分結(jié)構(gòu)性突變的p53被砒霜拯救，只是程度不盡相同。而DNA接觸性突變p53，則沒(méi)有被砒霜拯救。

隨后的細(xì)胞系研究也證實(shí)，砒霜對(duì)具有結(jié)構(gòu)性突變p53的癌細(xì)胞系顯示出明顯更強(qiáng)的殺傷力。

▲ 砒霜的不同類(lèi)型突變細(xì)胞系研究

總的來(lái)說(shuō)，盧敏團(tuán)隊(duì)的研究非常有系統(tǒng)性，確定了砒霜恢復(fù)結(jié)構(gòu)性突變p53抑癌功能的潛力。這個(gè)研究還一舉解決了困擾p53靶向藥物研發(fā)的兩大科學(xué)難題，證明了靶向抑癌蛋白確有其邏輯，而且也存在小分子化合物結(jié)合的口袋。

▲ 本研究主要內(nèi)容總結(jié)

由于砒霜已被我國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)成為治療APL的藥物，因此將其開(kāi)發(fā)成p53突變癌癥的治療藥物有大量的臨床經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，這無(wú)疑會(huì)加快其臨床開(kāi)發(fā)速度。好消息是相關(guān)的臨床研究已經(jīng)開(kāi)展。

更重要的是，這個(gè)研究提出了抑癌蛋白靶向治療的思路，或?qū)㈤_(kāi)啟靶向治療新時(shí)代。

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本文作者 | BioTalker

汝之砒霜，彼之蜜糖

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