揭示一种关键癌症蛋白的结构秘密--BME

左图（a）：先前通过X射线晶体学确定的K-Ras蛋白活性的三维结构，其中功能关键的开关区域（红色和蓝色）大部分不可见（虚线）。右图（b）：同一系统在溶液中的二维核磁共振频^[1]，其特征注释为K-Ras的相应氨基酸残基。现在可以观察到属于开关区域的微小特征，这些特征以前无法检测到，因此可以通过溶液NMR详细表征其结构和功能动态。

科学家们利用先进的研究技术检测到了一种蛋白质的隐藏区域，为研究这种因危险突变而与人类癌症有着重大联系的蛋白质注入了新的活力。

Ras蛋白家族^[2]是启动多种细胞生长、分裂和分化的酶，其基因已被确定为与人类最常发生突变的癌症相关基因。这项研究的对象K-Ras蛋白与75%的Ras相关癌症有关。

俄亥俄州立大学的研究人员首次检测到了这种蛋白质结构的一部分，而这部分结构以前是标准实验室工具无法观测到的。研究人员揭示了与这种蛋白质突变有关的特征和相互作用，这种突变使细胞处于永久分裂状态——这是一种典型的癌症特征。

该研究的资深作者、俄亥俄研究学者、俄亥俄州立大学化学与生物化学教授Rafael Brüschweiler说：“我们知道这些突变是一个重大问题，它们会导致死亡。我们知道结构生物学能为了解这些突变的机制提供独特的见解，并能促进寻找潜在的治疗方法。”

“我们现在对这种蛋白质的作用有了更全面的了解，这意味着我们可以开始考虑如何在它变异后中和它。从这个意义上说，信息就是力量，现在这些信息已经公开，我们和其他研究人员可以利用这些信息开始假设。”

尽管人们对K-Ras^[3]及其与细胞健康相关分子的关键功能关系已有了解，但这种蛋白质一直被认为是“不可药用的”，因为它的结构（无论是正常形态还是突变形态）中隐藏着最有希望成为治疗靶点的位点。设计这类药物时需要精确——以错误的方式干扰蛋白质可能比突变导致的疾病造成更大的伤害。

“K-Ras是癌症研究的圣杯——可能是全世界研究最多的生物分子之一，因为它在许多癌症中发挥着关键作用。”Brüschweiler说，“但它也是一个巨大的挑战”。

Brüschweiler及其同事在2019年报道了一种技术，该技术能够观察到移动速度太慢、标准核磁共振（NMR）光谱无法检测到的蛋白质。一年后，该团队决定开始将这些发现应用于寻找K-Ras的秘密藏身之处。

标准核磁共振可以跟踪快速作用的蛋白质，但在较长的运动和相互作用时间尺度上会遇到困难，而用于确定蛋白质结构的X射线晶体学在运动较少和时间较长的情况下效果更好。Brüschweiler及其同事可以同时考虑K-Ras的动态性质及其与反应配体（GTP）的相互作用，首先检测来自隐藏区域的微弱信号，然后优化核磁共振实验以增强这些信号。

这项研究揭示了 K-Ras 结构中的两个“开关”区域。很明显，这两个区域都位于发生最危险突变的蛋白质环附近。这在以前是不可见的。该团队还确定了蛋白质“骨架”的复杂结构动力学行为，该行为放大了开关附近的其他特征。Brüschweiler说：“骨架对了解蛋白质的结构特性至关重要，从这里开始，表征氨基酸侧链就‘相对简单’了。”

实验还进一步阐明了正常蛋白质与其突变形式的区别：在正常情况下，当K-Ras与两个伙伴分子中的第一个分子结合时它的活性更高，并能保持对多种细胞功能的适当控制，包括恢复到非活性状态。如果发生突变，K-Ras就会停留在活跃期，永远不会休息。

“我们需要活跃的细胞，但在某些时候它们必须停下来。否则就像在汽车上永远不要松开油门。在某些时候你需要松开脚，因为车速太快了。”他说，“这就是问题的本质所在，这些突变会诱导细胞不停地活动。”

由于突变相关开关区域的特征已经确定，研究人员有了新的药物靶点，可以在不妨碍K-Ras重要细胞功能的情况下抑制突变。

“开关和开关相互作用的相关区域是新的候选对象，我们现在可以对其进行前所未有的详细监测。”Brüschweiler说，“这可能不会在一夜之间改变世界，但这是有可能从根本上影响人类健康的新认知"。”

Brüschweiler下一步工作有自己的想法，比如描述现有药物如何与这种蛋白质相互作用。他的团队和其他人未来的工作将得到一台磁场为1.2GHz的新型核磁共振仪器的支持，这将是美国最强大的核磁共振仪器。Brüschweiler是俄亥俄州立大学国家超高场核磁共振中心（National Gateway Ultrah Field NMR Center）的首席研究员。该中心于2019年获得了美国国家科学基金会1760万美元的资助，该基金会也为这项新研究提供了支持。

共同作者包括Alexander Hansen、Xinyao Xiang、Chunhua Yuan和Lei Bruschweiler-Li，他们都来自俄亥俄州立大学校园化学仪器中心核磁共振设施或化学与生物化学系。

[1] Two-dimensional NMR spectrum，二维核磁共振谱，是由常规的一维核磁共振谱延伸而来的一项测试技术。二维核磁共振谱的出现和发展,是近代核磁共振波谱学的最重要的里程碑。极大地方便了核磁共振的谱图解析。更多信息可参考《什么是二维核磁共振谱？》和《有哪些不同的二维核磁共振谱》

[2] Ras family of proteins，Ras蛋白家族，是参与细胞信号转导、调节细胞增殖和分化的关键性分子。Ras基因突变后，Ras蛋白持续处于活化状态，信号转导紊乱，导致细胞持续增生而发生肿瘤。RAS家族蛋白是一类小分子GTP酶，也是第一个在人类肿瘤中被鉴定出来的致癌基因，可广泛参与细胞的生长、分化及肿瘤的发生和发展。RAS蛋白为膜结合型的GTP／GDP结合蛋白，位于细胞膜内侧，与GTP结合时处于活化状态；反之，与GDP结合时则为非活化状态。更多信息可参考《肿瘤靶点系列之：RAS》和《亮剑大魔王之一：RAS基因突变和药物》。

[3] K-Ras，Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog，Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物。K-Ras基因编码的蛋白是一种小GTP酶（smallGTPase），它属于Ras超蛋白家族。更多信息可参考《KRAS靶点的前世今生》。