臭名昭著了三十年的KRAS，终于在去年，被一个叫sotorasib的小分子给破了“不可成药”的魔咒[1]。
然而， sotorasib仅能靶向抑制在非小细胞肺癌中较为常见的KRAS G12C的突变，对于其他更为常见的突变类型如KRAS G12D和KRAS G12V等，依然无能为力。
面对种类繁多的KRAS突变，要针对每种突变研发出单独的特异性抑制剂，许是长路漫漫。那么，我们能不能“抄近路”设计出一种广谱KRAS抑制剂来一招制胜呢？
这不，说曹操，曹操到，KRAS突变的广谱克星，来了！
奥地利科学家Macro Hofmann和Norbert Kraut领衔的研究团队，近日在著名期刊Cancer Discovery上报道了一种对多种KRAS突变有效的SOS1选择性抑制剂BI-3406[2]。
研究人员发现，BI-3406不仅对KRASG12C突变有效，还对多种非G12C突变，以及NF1和EGFR突变的癌细胞和肿瘤都有抑制作用。
此外，BI-3406还能与MEK抑制剂trametinib和上文提及的sotorasib联用发挥协同作用，以增强并延长抗肿瘤疗效。
正所谓，众里寻他千百度，那“人”却在KRAS上游处。
论文首页截图
在正常细胞中，KRAS蛋白受到以SOS1为代表的鸟苷酸交换因子（GEF），和以NF1为代表的GTP酶激活蛋白（GAP）调控，在激活态（KRAS-GTP）和失活态（KRAS-GDP）中循环往复。然而，KRAS突变打破了这种稳态。突变的KRAS通过降低自身的GTP酶活性，限制NF1对KRAS的调控，让SOS1对KRAS的激活作用占了上风，成为调控KRAS的中心枢纽。
一旦KRAS的上游信号通路被激活，收到信号的SOS1蛋白会被立即招募到细胞膜上与KRAS-GDP结合并催化KRAS装载GTP，从而形成KRAS-GTP复合物来激活下游多条触发癌细胞增殖的信号通路。而KRAS-GTP复合物又可以和SOS1上的别构点结合，通过正反馈来增强SOS1的活性，激活更多的KRAS。
因此，如果说直接靶向KRAS是一箭穿心，那么抑制住SOS1蛋白就是摘下了这颗心脏的起搏器。
SOS1调控KRAS示意图[3]
Macro Hofmann团队通过高通量筛选和结构修饰，从170万个化合物分子中优选出SOS1抑制剂BI-3406。
BI-3406可与SOS1的催化口袋特异性结合，并且具有极高的亲和性，在蛋白层面上仅需几纳摩尔每升的BI-3406即可有效阻断SOS1与KRAS G12D和KRAS G12C的相互作用。同时在具有KRAS G12C和KRAS G12S突变的癌中细胞，抑制50%的RAS-GTP合成，也只需要83-231 nmol/L的药物浓度。
BI-3406结合SOS1催化口袋的共晶X射线衍射结构示意图
左：SOS1表面结构（深红色：SOS1结合RAS的催化口袋；绿色：SOS1结合RAS的别构位点）；
右上：BI-3406（黄色骨架）与SOS1在结合位点的相互作用；右下：BI-3406分子骨架结构
在细胞增殖实验中， Macro Hofmann团队分别选取KRAS G12C，G12S，及G13D型细胞系并建立相关3-D肿瘤球模型。研究发现BI-3406对KRAS野生型细胞系的生长无效，而对所有突变细胞系的生长具有抑制作用，且该作用呈现明显的浓度依赖性，其半数有效抑制浓度在16-52 nmol/L之间。
BI-3406对不同细胞系的增殖抑制作用
（A375：KRAS WT及BRAF V600F；NCI-H520：KRAS WT和BRAF WT；A549：KRAS G13D；NCI-H23：KRAS G12C；NCI-H358：KRAS G12C）
为了进一步发掘对BI-3406敏感的KRAS突变类型，研究人员用NCI-H23（KRAS G12C）细胞系作为模板，将其中的G12C替换成纯合型或杂合型的G12D，G12V，G12R，G13D，和Q16H。研究发现，BI-3406对所有依赖SOS1激活的KRAS突变癌细胞都有抑制作用，而对SOS1非依赖型的KRASG12R和Q61H突变没有抑制效果。
BI-3406对多种异基因NCI-H23细胞系的增殖抑制作用
上述发现也在动物肿瘤模型中得到验证。由于BI-3406给药一次后对KRAS下游ERK蛋白的活性抑制作用大约可以持续7-10小时，研究人员选择了一日两次的口服给药方案。
结果显示，在具有KRAS G12C突变的胰腺癌MIA PaCa-2模型中，BI-3406能够显著抑制肿瘤增殖，并且剂量越高，抑瘤效果越明显。
此外，在SW620（KRAS G12V），LoVo（KRAS G13D），和A549（KRAS G12S）模型中，使用一日两次50 mg/kg的给药方案治疗20-23天后，肿瘤的增长相较于对照组分别被显著抑制了61%，62%，和89%。
BI-3406对KRAS突变肿瘤动物模型的抗肿瘤作用
（TGI：tumor growth inhibition肿瘤增殖抑制；bid，twice daily一日两次）
更有意思的是，BI-3406并不偏安于KRAS一隅。
在对40个具有KRAS，NRAS，HRAS， EGFR，NF1，和BRAF突变的癌细胞进行检测时，研究人员发现在17个对BI-3406敏感的细胞系中，只有11个检测到KRAS G12或G13的突变，其余6个都在NF1或EGFR发生了突变。而在所有 NF1突变的细胞系中，竟有50%的细胞系对BI-3406敏感。
BI-3406对40种癌细胞的敏感性汇总
上：BI-3406对各细胞的IC50值；中：癌细胞种类；下：各细胞突变类型及杂合指数（深蓝色表示野生型，浅蓝色表示杂合程度未知）
不仅承包了KRAS G12和G13，还顺带接管了NF1和EFGR突变，BI-3406这一石多鸟的功力，真是绝了~
不过，SOS1和KRAS的爱恨情仇，并不止步于此。早期研究发现，MAPK通路被激活后，被激活的ERK蛋白可以通过磷酸化SOS1来负反馈抑制SOS1的活性[4，5]。在正常情况下，这种调节可以避免MAPK通路的过度激活。
然而，对于靶向MAPK通路的药物来说，这种负反馈调节却为肿瘤耐药创造了先机。
例如有研究发现，用单药MEK抑制剂trametinib 治疗KRAS突变的肿瘤会让肿瘤产生对trametinib的获得性耐药[6]，其机理之一就可能在于trametinib在抑制了MAPK通路的同时也阻断了ERK对SOS1的负反馈调节，从而再次激活了KRAS/MAPK通路，抵消了trametinib原本的疗效。
近期针对KRAS G12C抑制剂的研究也发现了MAPK通路被重新激活的获得性耐药现象[7]。
SOS1参与KRAS激活信号通路示意图[8]
此外，在SOS家族中， SOS1蛋白其实还有个叫SOS2的同胞姐妹。两者都同样可以催化KRAS与GTP的结合， 但是ERK对SOS2没有负反馈调节作用[3]。而前期的动物实验发现，同时敲除了SOS1和SOS2基因的小鼠生存曲线十分陡峭[9]，所以出于安全性的考虑，研究人员只能牺牲一部分药效而选择性抑制作用更为广泛的SOS1。
那么， 将SOS1抑制剂与trametinib或KRAS G12C 抑制剂联用，是不是可以规避后两者的获得性耐药，还能增强SOS1抑制剂的疗效呢？
对于这个问题的答案，Macro Hofmann团队也为你准备好了。研究发现，在胰腺癌MIA PaCa-2（KRAS G12C）细胞中，BI-3406和tramatinib联用几乎完全抑制了ERK的活性，MEK1/2的获得性激活也较tramatinib单药组降低。
而在MIA PaCa-2动物肿瘤模型中，联合用药组在给药第29天的抑瘤率达到了107%，显著高于两个单药组，而且联用组的药效在停药后还持续了将近22天。相似的现象在KRAS G13D突变的结直肠癌LoVo模型、KRAS G12C结直肠癌PDX模型 和KRAS G12V胰腺癌PDX模型中也得到了验证。
BI-3406及Trametinib单药及联用对MIA PaCa-2肿瘤的抑制作用对比
研究人员趁热打铁又在KRAS G12C抑制剂sotorasib（AMG 510）上试了试联用BI-3406的功效。果不其然，加入BI-3406后，药物对MAPK通路的抑制作用更强了，药效的持续时间也更长了。实验还对比了SOS1上游蛋白SHP2的抑制剂SHP099与sotorasib联用的效果，发现两种联用方案对MAPK通路的作用十分相似。
综上所述，这款SOS1特异性抑制剂BI-3406不仅摘下了多种KRAS G12及G13D突变的起搏器，还是能和多种药物协同抗击KRAS突变的“万金油”。
虽然在这次研究中，Hofmann团队并没有发现BI-3406抑制SOS1会补偿性升高SOS2的表达，但是在人体中是否存在这种潜在的耐药机制还需要开展进一步的临床试验来进行验证。
现如今，有关BI-3406的衍生物BI-1701963的研发已进入临床试验阶段。BI-1701963单药和联用trametinib的临床I期试验（NCT04111458）正在如火如荼地展开，而它和KRAS G12C抑制剂adagrasib（MRTX849）联用的临床试验也在紧锣密鼓地筹备中[10]。就让我们期待不久的将来能有更多的临床数据问世吧！
参考文献
1. Hong DS, Fakih MG, Strickler JH, et al. KRASG12C Inhibition with Sotorasib in Advanced Solid Tumors. N Engl J Med. 2020;383(13):1207-1217.
2. Hofmann MH, Gmachl M, Ramharter J, et al. BI-3406, a Potent and Selective SOS1-KRAS Interaction Inhibitor, Is Effective in KRAS-Driven Cancers through Combined MEK Inhibition. Cancer Discov. 2021;11(1):142-157.
3. Kessler D, Gerlach D, Kraut N, McConnell DB. Targeting Son of Sevenless 1: The pacemaker of KRAS [published online ahead of print, 2021 Apr 10]. Curr Opin Chem Biol. 2021;62:109-118.
4. Rozakis-Adcock M, van der Geer P, Mbamalu G, Pawson T. MAP kinase phosphorylation of mSos1 promotes dissociation of mSos1- Shc and mSos1-EGF receptor complexes. Oncogene 1995;11:1417–26.
5. Corbalan-Garcia S, Yang SS, Degenhardt KR, Bar-Sagi D. Identification of the mitogen-activated protein kinase phosphorylation sites on human SOS1 that regulate interaction with Grb2. Mol Cell Biol 1996;16:5674–82.
6. Long GV, Fung C, Menzies AM, et al. Increased MAPK reactivation in early resistance to dabrafenib/trametinib combination therapy of BRAF-mutant metastatic melanoma. Nat Commun. 2014;5:5694. Published 2014 Dec 2.
7. Mechanisms of KRAS Inhibitor Resistance Revealed [published online ahead of print, 2021 Apr 14]. Cancer Discov. 2021;10.1158/2159-8290.CD-NB2021-0335.
8. Baltanas FC, Perez-Andres M, Ginel-Picardo A, Diaz D, Jimeno D, Liceras-Boillos P, et al. Functional redundancy of Sos1 and Sos2 for lymphopoiesis and organismal homeostasis and survival. Mol Cell Biol 2013;33:4562-78.
9. Baltanas FC, Perez-Andres M, Ginel-Picardo A, Diaz D, Jimeno D, Liceras-Boillos P, et al. Functional redundancy of Sos1 and Sos2 for lymphopoiesis and organismal homeostasis and survival. Mol Cell Biol 2013;33:4562–78.
10. BOEHRINGER INGELHEIM AND MIRATI THERAPEUTICS ANNOUNCE CLINICAL COLLABORATION TO STUDY BI 1701963, A SOS1::PAN-KRAS INHIBITOR IN COMBINATION WITH MRTX849, A KRAS G12C SELECTIVE INHIBITOR. Accessed from: https://www.boehringer-ingelheim.us/press-release/boehringer-ingelheim-and-mirati-therapeutics-announce-clinical-collaboration-study-bi
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