40年来首现曙光:激活p53,它能成为下一个抗癌传奇吗?

2019年06月11日 来源:药明康德

  伊农·本-尼利亚(Yinon Ben-Neriah)教授是血液癌症领域的顶尖学者。你可能没有听说过这名以色列科学家的名字,但一定知道他的贡献:早年,他协助克隆了cAbl基因,并阐明了融合蛋白Bcr-Abl的结构。这也是人类最早知道的致癌基因与致癌蛋白之一。与亚历克斯·列维茨基(Alex Levitzki)教授一道,他们筛选出了首个有效针对Bcr-Abl融合蛋白的小分子抑制剂。在它的基础之上,诞生了人类抗癌史上的一座丰碑——格列卫(Gleevec)。

  在接下来的30年时光里,本-尼利亚教授又在血液癌症领域不断做出重要发现。他的团队找到了癌症信号通路里的许多关键因子,也发现了炎症与癌症之间的分子关联。去年,在药明康德等合作伙伴的协助下,本-尼利亚教授团队在顶尖学术期刊《细胞》上发表研究,带来了一种能够激活p53蛋白,快速消灭急性骨髓性白血病(AML)的潜在新药。许多媒体报道称,这一发现是AML患者们40年来的全新希望!也正是由于在血液癌症领域的一系列贡献,本-尼利亚教授在今年6月斩获有“以色列诺奖”之称的EMET奖。

  基因组卫士

  上文中提到的p53蛋白素有“基因组卫士”之称。在癌症相关生物学中,它通过调控细胞周期、控制细胞凋亡、增强基因组稳定性等一系列功能,能够抑制肿瘤生长。据估计,大约一半癌症中都带有p53突变,让其无法正常工作,从而促进癌症的发生。这些数据彰显了维持p53功能的重要性。

  近年来,研究人员们还发现,即便p53蛋白本身没有发生突变,癌细胞也会想方设法让它“失活”。比如我们现在知道,一种叫做MDM-2的蛋白质,就会让p53发生泛素化,最终导致它的降解。根据公开资料显示,目前至少有14家公司尝试抑制MDM-2的活性,重塑p53的正常水平,以求抑制癌症。但在本-尼利亚教授的《细胞》论文之前,成功案例寥寥无几。

  有趣的是,这原本并非本-尼利亚教授的主攻方向。先前,他的团队侧重研究Wnt信号通路里的CK1α激酶。与GSK3一道,它们能对β-catenin进行磷酸化,并将其送往蛋白酶体降解,从而调控Wnt信号通路的活性,防止它过度活跃,促进癌症发生。

  但科学探索中总是充满可喜的意外发现。在探索中,研究人员们意识到CK1α还与p53的激活有关:敲除CK1α之后,细胞中会出现DNA损伤反应,从而激活p53。但细致的研究人员们指出,虽然出现了DNA损伤反应,细胞内的DNA却检测不出实际的损伤。也就是说,我们不必伤害到脆弱的DNA,就有望享受p53激活带来的抑癌效果。事实上,抑制CK1α,也的确和肿瘤抑制有着相关性。

  神奇的分子

  在基础科学中,多年以来,研究人员们一直通过敲除CK1α来激活p53的活性。但本-尼利亚教授却心生好奇——如果使用CK1α小分子抑制剂,会产生怎样的效果?他的团队最初筛选了一些苗头化合物,但最终效果却不尽如人意。于是,他与药明康德的药物化学团队结成合作,通过一系列迭代设计与测试,优化小分子抑制剂的性质。

  “从苗头化合物到先导化合物,我们进行了20到30轮的优化。如今,我们的化合物活性是最初苗头化合物的1000倍!”本-尼利亚教授说道:“这支化学设计团队非常灵活,让这项合作显得与众不同。更重要的是,正是通过这项赋能合作,我们做出了突破性的发现。”

  在评估这些化合物效果的过程中,本-尼利亚教授观察到了一个完全出乎意料的结果。理论上讲,敲除CK1α,已经能把这一蛋白的活性降至最低。然而在使用小分子抑制CK1α后,居然起到了更好的效果!“我们观察到p53出现激活/稳定的程度,要远远超过敲除CK1α所能达到的水平。这表明另外一些事情正在发生。”本-尼利亚教授说道。

  后续的研究发现,这些化合物能够影响MDM-2的功能,这正是它们发挥神奇功效的秘诀。“我们知道敲除CK1α会让p53出现稳定,”本-尼利亚教授解释道:“但仅敲除CK1α的作用相对有限,因为细胞里依旧存在MDM-2,它会对p53产生抑制。由于这一负反馈机制,细胞内只有有限的p53能稳定下来。”同时抑制CK1α与MDM-2,起到了组合拳的效果。

本研究的机理示意图(图片来源:参考资料[2])

  “事实上,这些化合物还能抑制与细胞凋亡有关的其他重要蛋白,”本-尼利亚教授补充道:“MCL-1就是其中之一,它是造血干细胞中最重要的抗细胞凋亡因子。”

  基于这些结果,研究人员们推断,除了抑制CK1α外,这些化合物还在某一层面有“宏观调控”的作用。最终的结果也证实,它们对CDK7/9有着高度选择性,而这些激酶控制了MCL-1等蛋白的表达。考虑到CK1α与CDK7/9属于不同的蛋白家族,这一发现堪称罕见。对于这点,研究人员们自感非常幸运:“我们找到的化合物不仅能增强p53的效果,还能广泛地靶向许多‘超级增强子’,它们是白血病发病和免受细胞凋亡的罪魁祸首。”

  40年来的希望

  研究人员们指出,这些化合物对CK1α与CDK7/9等激酶有着高度活性。为了更好地理解其分子作用机理,药明康德Crelux团队协助提供了来自结构生物学的洞见。他们发现,这一系列化合物能结合CK1α与CDK7/9等激酶的ATP结合位点,并与其中一些残基形成氢键。“这些激酶的晶体学并不好做,CK1α尤其是个难点。但这支团队依然坚持并克服了种种问题。”本-尼利亚教授提及Crelux团队的工作时说道。

结构生物学分析揭示了这些化合物的作用机理(图片来源:参考资料[2])

  阐明机理之后,研究人员们在小鼠的急性骨髓性白血病(AML)模型中测试了它们的疗效。分析表明,相对正常的骨髓,病变小鼠的骨髓中出现了120个“超级增强子”。而在这些化合物的治疗下,90多个“超级增强子”的水平出现了显着下降!在这些小鼠模型中,治愈率高达50%。

  这一发现对于白血病的治疗有着重要意义。研究人员们指出,超过90%的人类白血病病例中,并没有出现p53的突变。相反,由于MDM-2等蛋白的过表达,正常p53的活性也会被抑制。而通过抑制这些“超级增强子”,p53的活性可以被调节至最大,发挥最佳的抑癌功效。

一夜之间,这些化合物带来了神奇的治疗效果(图片来源:Waleed Minzel/Hebrew University)

  “与正常细胞不同,白血病细胞非常依赖于这些‘超级增强子’的活性,”本-尼利亚教授评论道:“在本研究中,我们既能抑制‘超级增强子’的活性,又能促进p53的保护功能。这正是这些化合物的神奇所在。”

  作为最具侵袭性的癌症之一,AML领域已经有40年未见颠覆性的药物问世。当本-尼利亚教授团队的《细胞》论文发表后,他也收到了无数病人的来信,请求试试这些潜在新药。他们很多都已经试遍了其他方案,却发现自己无药可治。

  为了加速这些化合物的研发进程,本-尼利亚教授已将它们许可给了一家名为BioTheryX的生物技术公司。目前,其领先化合物的1期临床试验申请已经得到了美国FDA的批准,即将正式开展。对于AML,乃至其他p53阳性的癌症,也许我们等来了40年来的首道曙光。

  参考资料:

  [1] 40 Years of Cancer Research Leads to Dual Acting CK1α and CDK7/9 Inhibitors as a Powerful Combination for Treatment and Potential Cure of AML and Other p53+ Cancers, Retrieved May 27, 2019, from http://wxpress.wuxiapptec.com/40-years-of-cancer-research-leads-to-dual-acting-ck1%CE%B1-and-cdk7-9-inhibitors-as-a-powerful-combination-for-treatment-and-potential-cure-of-aml-and-other-p53-cancers/

  [2] Waleed Minzel et al., (2018), Small Molecules Co-targeting CKIα and the Transcriptional Kinases CDK7/9 Control AML in Preclinical Models, Cell, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.07.045

  [3] For first time in 40 years, cure for acute leukemia within reach, Retrieved August 24, 2018, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-08/thuo-fft082418.php

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