EGFR各种突变的结构生物学基础

授权发言人惩

19年JMC的一篇文章，Structure Defines Function: Clinically Relevant Mutations in ErbB Kinases，当时看到很感兴趣，这里简单介绍一下。
主要从结构(生物学)角度，阐释一些临床相关的EGFR突变，为何会激活EGFR，以及为何会导致耐药。
首先先看一下EGFR active & inactive两种状态的特征 (图1)：左侧inactive，右侧active，二者差别一在αC helix的in & out (左侧out右侧in)，二在activation loop的伸展与蜷曲，此外还有一些残基构象的差异，比如K-E盐桥、DFG等。


图1 EGFR active & inactive状态主要特征

正常情况两种状态之间保持一定的平衡。
而有一些突变会导致平衡向active状态倾斜，EGFR过度激活，而导致癌症。
图2是L858R突变导致EGFR激活的机理示意：左侧是突变前L858，与周边一些疏水残基堆积，稳固了inactive构象；右侧是突变后R858，这是一个较大的极性残基，不能保持原先的疏水堆积 (而是可能与周边其它残基形成HB)，从而导致inactive构象不如原先稳定，平衡向active倾斜，EGFR过度激活。


图2 L858R突变导致EGFR活化的结构基础
上面图中的二维码，扫描可以看作者准备的3D model，不过要下载个APP，个人没有尝试。

下面图3是exon 19 deletion突变，图4是exon 20 insertion突变。图中所示的主要是αC helix部分，exon 19突变在αC右侧loop，exon 20突变在αC左侧loop。
图3绿色结构是WT active构象，虚影结构为WT inactive构象，蓝色结构是模拟的exon 19 deletion突变构象。可见exon 19 deletion导致αC helix锁定在in构象，EGFR平衡向active状态倾斜。
图4红色结构是WT inactive构象，蓝色结构是一种exon 20 insertion突变 (D770_N771insNPG)。文章解释WT中R776与A767之间的HB稳固inactive构象，而突变后妨碍这个HB的形成，从而导致exon 20 insertion的αC helix保持在in构象，EGFR状态向active倾斜。


图3 exon 19 deletion突变导致EGFR活化的结构基础


图4 exon 20 insertion突变导致EGFR活化的结构基础

下面图5虽然简略但可能更明了些。总的来说，exon 19 deletion与exon 20 insertion都导致αC helix保持在in构象，亦即EGFR active状态的αC helix构象，从而导致更多的EGFR处于active状态，过度激活。


图5 exon 19 deletion & exon 20 insertion导致EGFR活化的示意图

再看两个位于G-loop的突变G719S & G724S，这两处突变对不同TKI的活性好像有不同的影响，文章认为可能是因为影响了G-loop的柔性，从而影响了一些G-loop残基的位置 (比如图中L718、F723)，进而影响这些残基与一些TKI的contact。
不过G-loop本身就有柔性，下图结构是否确实反映突变造成的影响，似乎不很能确定。这两处突变平常提及的似乎也比较少，可能临床上相对不重要。


图6 G-loop上两处突变可能影响G-loop柔性而影响TKI效果

最后，看一看结合口袋的几个点突变。这种突变大多较为明了。
图7A是比较有名的T790M突变，对一代抑制剂耐药，二代抑制剂虽然活性可以但安全性差，三代抑制剂才解决这个问题。T790M的耐药原因，一方面如图所示，突变后的M790与小分子右上角部分有些clash，虽然这种clash并非避无可避，另一方面也因为T790M突变会导致对ATP的亲和力提高，TKI需要更强的竞争性结合。
图7B是另一个有名的C797S突变，这个机理也很明了，突变后的S797不能形成之前的共价键，导致对一些共价抑制剂 (包括三代抑制剂) 耐药。解决的办法是变构抑制剂以及一些同样在ATP口袋但不同结合模式的分子，即四代抑制剂。





图7 结合口袋一些点突变造成对TKI耐药的原因

图7C、D是另外几个结合口袋的点突变，不过提及频率较低。总的来说，或者因为clash，或者因为亲疏水性等不太匹配，都会影响TKI的结合，造成耐药。

最后，如文章标题所说，Structure Defines Function，这也是很有意思的地方。当然，不是所有耐药都能从structure方面解释，比如表达水平、药物外排，等等；限于水平，也不是所有功能改变都能从结构方面予以解释。但总的来说，还是很有意思的，也是可能有实际指导意义的。

Structure Defines Function: Clinically Relevant Mutations in ErbB Kinases, J Med Chem, 2019
Targeting EGFR exon 20 insertion mutations in non-small cell lung cancer, Signal Transduct Target Ther, 2019

本文使用 文章同步助手 同步   (公众号文章写于2022-06-25)