《Nature Communications》：Structure of SHOC2-KRAS-PP1C complex reveals RAS isoform-specific determinants and insights into targeting complex assembly by RAS inhibitors
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本研究針對RAS驅動腫瘤中SHOC2-PP1C復合物亞型特異性調控機制不明的難題，通過解析KRAS-SHOC2-PP1C三元復合物的冷凍電鏡結構，發現KRAS相較于MRAS形成更弱親和力復合物的結構基礎。研究進一步證實RAS抑制劑MRTX1133和RMC-6236可通過改變Switch-I/II構象阻斷復合物組裝，并成功構建MRTX1133敏感型MRAS突變體實現雙靶向抑制，為克服KRAS抑制劑耐藥性提供了新策略。
在癌癥研究領域，RAS基因突變堪稱"明星罪犯"——約20-30%的人類癌癥與其突變密切相關。當RAS蛋白處于激活狀態時，它會啟動一條名為MAPK（絲裂原活化蛋白激酶）的信號傳導通路，猶如細胞內的"高速公路"，將生長信號從細胞表面傳遞到細胞核，指揮細胞進行分裂、分化等關鍵生命活動。然而，這條通路的異常激活會直接導致細胞不受控制地增殖，最終形成腫瘤。
RAF蛋白作為MAPK通路中的關鍵"信號中轉站"，其激活過程受到精密調控。研究發現，RAF的激活需要經歷一個關鍵的"開關"步驟：其保守區域CR2的一個特定磷酸化絲氨酸（CR2-pS）需要被去磷酸化。執行這一重要任務的正是SHOC2-RAS-PP1C三元復合物——由支架蛋白SHOC2、磷酸酶PP1C和激活狀態的RAS蛋白組成。
有趣的是，不同RAS亞型在這一復合物中的表現大相徑庭。MRAS能與SHOC2、PP1C形成高親和力的SMP復合物，而更常見的致癌RAS亞型（KRAS、HRAS、NRAS）形成的類似復合物親和力卻低得多。這種差異帶來了一個科學謎題：既然MRAS形成的復合物更穩定，為什么在KRAS等驅動的癌癥中，細胞存活卻更依賴于SHOC2？更重要的是，對KRAS靶向藥物（如sotorasib、adagrasib）產生耐藥性的患者中，經常出現MRAS上調的現象，這提示我們可能需要同時靶向KRAS和MRAS才能有效抑制腫瘤生長。
為了解開這些謎團，來自美國國家癌癥研究所RAS計劃的研究團隊在《Nature Communications》上發表了他們的最新研究成果。他們成功解析了SHOC2-KRAS-PP1C（SKP）復合物的三維結構，揭示了不同RAS亞型與SHOC2-PP1C結合的精細差異，并探索了同時靶向KRAS和MRAS的治療新策略。
研究團隊主要運用了以下幾種關鍵技術方法：通過引入諾南綜合征相關突變（SHOC2-M173I、PP1CA-P50R）和癌癥相關突變（KRAS-Q61R）穩定低親和力的SKP復合物；利用冷凍電鏡技術解析復合物高分辨率結構；采用等溫滴定量熱法（ITC）精確測量分子間相互作用；通過X射線晶體學解析RAS蛋白與抑制劑的復合物結構；建立體外磷酸酶活性測定系統評估復合物功能。
結構分析揭示親和力差異的分子基礎
研究人員通過引入穩定化突變，成功獲得了適合結構解析的SKP復合物。冷凍電鏡結構顯示，SKP復合物整體架構與SMP復合物相似，但分子間相互作用明顯減少。具體而言，SKP復合物埋藏的表面積減少約1000?2，鹽橋和氫鍵數量分別減少6個和12個。這些差異主要源于KRAS缺乏MRAS特有的幾個結構特征：與PP1CA結合的N端延伸、與SHOC2相互作用更長的β5-α4環以及能穩定復合物的穿插區域殘基。
特別值得注意的是，MRAS特有的β5-α4環能夠與SHOC2-E428形成范德華相互作用和氫鍵，而KRAS中相應的環更短且更富含脂肪族氨基酸，導致無法形成類似接觸。此外，在KRAS中，R41因與E3形成分子內氫鍵而使其側鏈重新定向遠離PP1CA表面，減少了與PP1CA的接觸。這些細微但累積的結構差異共同導致了野生型KRAS與SHOC2-PP1C結合的親和力比MRAS低約7倍。
Switch-II構象可塑性決定效應器特異性結合
研究還深入分析了RAS蛋白Switch-II區域的結構可塑性。雖然所有效應器結合時Switch-I都采用保守構象，但Switch-II卻表現出顯著的靈活性，會根據不同結合伴侶采取不同構象。在與SHOC2-PP1C結合時，KRAS和MRAS的Switch-II均表現出獨特的構象特征：縮短的α2螺旋（KRAS 68-75位；MRAS 78-85位）和延伸的環區（KRAS 60-67位；MRAS 70-77位）。這種構象與RAS與其他效應器（如CRAF、PI3Kα等）結合時明顯不同，凸顯了Switch-II作為動態接口的可塑性，能夠根據相互作用伙伴采取特定構象。
MRTX1133通過重構Switch-II抑制SKP復合物組裝
針對KRAS-G12D的抑制劑MRTX1133能有效阻斷SKP復合物形成，但對預形成的復合物解離能力較弱。晶體結構顯示，MRTX1133結合會取代α2螺旋并改變Switch-I構象，導致與SHOC2-Y129發生空間沖突，從而阻礙SHOC2結合。值得注意的是，MRTX1133對MRAS沒有結合活性，因此不影響SMP復合物。
工程化MRAS突變體實現雙靶向抑制概念驗證
為解決MRAS不結合現有抑制劑的問題，研究人員通過理性設計將KRAS中MRTX1133結合口袋的關鍵殘基引入MRAS，成功獲得了能夠高效結合MRTX1133的MRAS突變體（F74Y/R105H/F106Y/L109Q）。盡管帶有這些突變，MRAS突變體仍能保持與野生型MRAS相似的SMP復合物形成能力，而MRTX1133可有效阻止SHOC2-MRAS突變體-PP1C復合物的組裝。體外磷酸酶活性實驗進一步證實，MRTX1133能濃度依賴性地抑制SHOC2-KRAS-PP1C和SHOC2-MRAS突變體-PP1C復合物的催化活性。
研究結論與展望
這項研究首次在原子水平揭示了KRAS與SHOC2-PP1C三元復合物的結構特征，闡明了致癌KRAS突變體如何利用較低親和力的復合物驅動MAPK信號通路持續激活。更重要的是，研究通過工程化MRAS突變體證實了同時靶向KRAS和MRAS的可行性，為克服當前KRAS靶向治療耐藥性提供了新思路。
在正常細胞中，MRAS可能主要負責組裝高親和力的SMP復合物進行RAF激活，而KRAS主要參與RAF的膜招募。然而在致癌環境下，高水平GTP結合的致癌KRAS突變體能夠同時介導RAF膜招募和SKP復合物形成，驅動MAPK信號過度激活。當使用KRAS抑制劑時，腫瘤細胞可能通過上調MRAS和SMP復合物形成來維持MAPK通路活性，從而導致耐藥。
該研究提示，未來針對RAS驅動腫瘤的治療策略可能需要同時靶向KRAS和MRAS，或者開發直接靶向SHOC2上RAS結合位點的化合物，從而更有效地抑制SHOC2-RAS-PP1C復合物組裝，防止MAPK通路重新激活。這種雙靶向策略有望為RAS突變癌癥患者提供更持久、更有效的治療選擇。
