MAPK / ERK通路概述

促分裂素原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路是真核生物信號傳遞網(wǎng)絡(luò)中的重要途徑之一，是細胞增殖、分化、細胞凋亡以及正常條件和病理條件下應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵信號通路。、

MAPK主要有4個亞族，對應(yīng)4條MAPK通路：ERK、p38、JNK、BMK1（ERK5）。本系列將主要介紹第一條由生長因子介導(dǎo)的ERK通路的賽道情況，涵蓋蛋白RAS、Raf、MEK和ERK，其中任何一個蛋白的異常都有可能誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生和增殖，故皆已成為各類創(chuàng)新藥靶向的熱門靶標(biāo)。

作為此系列的最后一篇，總結(jié)下MAPK / ERK通路的激活過程：

受上游生長因子受體（EGFR、TGF-α）激活所介導(dǎo)，MAPK/ERK通路的激活從RAS開始。通過鳥嘌呤核苷酸交換因子（GEF）催化RAS蛋白與三磷酸鳥苷（GTP）的結(jié)合，使RAS處于激活狀態(tài)。激活狀態(tài)下的RAS蛋白招募下游位于細胞質(zhì)中的RAF蛋白并與其位于N端的CR1結(jié)構(gòu)域結(jié)合，將RAF蛋白轉(zhuǎn)運至細胞膜使其激活。激活狀態(tài)下的RAF進一步通過其位于C端的CR3結(jié)構(gòu)域與下游MEK交互，進而激活MEK。活化的MEK再通過與ERK的相互作用，激活ERK中的酪氨酸（Tyr） 和 蘇氨酸（Thr） 殘基，從而激活下游ERK。

ERK的負反饋機制

細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）有5個亞族，包括ERK1~5。其作為MAPK/ERK信號通路的最后一環(huán)，是將信號從表面受體傳導(dǎo)至細胞核的關(guān)鍵。ERK作為唯一激活位點直接參與對下游大量基質(zhì)的激活，進而通過調(diào)控所轉(zhuǎn)錄出的各類蛋白來誘導(dǎo)調(diào)節(jié)細胞的增殖、分化與凋亡。

在正常的通路機制下，ERK的激活具有負向調(diào)控MAPK/ERK通路的機制來維持機體自平衡的功能。該負反饋機制的實現(xiàn)由兩個途徑實現(xiàn)：對ERK上游成分（EGFR、RAS、RAF、MEK）特定位點的直接磷酸化，以及誘導(dǎo)通路內(nèi)特定抑制因子（DUSP、Sprouty）的重新合成。

圖片來源：《Negative feedback regulation of the ERK1/2 MAPK pathway》

對ERK上游成分的直接磷酸化

圖表 1：受負反饋機制直接調(diào)控的ERK上游成分

來源：PhosphoSite，來覓數(shù)據(jù)整理

EGFR

幾乎所有的ERK上游成分都受負反饋機制直接調(diào)控。以EGFR蛋白為例，作為結(jié)構(gòu)為1220個密碼子的蛋白，大量研究表明受不同因子、激酶所磷酸化、泛素化、乙?；牟煌珽GFR位點對其本身以及下游的傳導(dǎo)作用都是不一樣的。

從誘發(fā)蛋白活性的角度來看，生長因子如EGF對EGFR 869位點（酪氨酸）、1092位點（酪氨酸）的磷酸化同樣可以誘導(dǎo)EGFR蛋白活性的提升。從抑制蛋白活性的角度來看，ERK1/2激酶對EGFR 692位點（絲氨酸）的磷酸化，以及CDK1激酶對1026位點（絲氨酸）的磷酸化會抑制EGFR蛋白的活性。

已有相關(guān)研究表明依賴于ERK1/2所磷酸化的EGFR 669位點（蘇氨酸）會降低EGFR酪氨酸磷酸化水平，表明T669點位的磷酸化可以下調(diào)EGFR的信號。除此之外，有相關(guān)研究表示ERK 1/2會通過酪氨酸磷酸酶CDC25C來間接使EGFR去磷酸化，背后的機制為ERK1/2通過CDC25C的48位點（蘇氨酸）激活CDC25C，CDC25C隨后會通過EGFR的1068位點（酪氨酸）使EGFR去磷酸化，從而達到負反饋機制的傳導(dǎo)。

RAS

此前我們提到過RAS受SOS介導(dǎo)激活。在正常生理機制下，由上游生長因子所介導(dǎo)的RAS蛋白激活通常是短暫的，從而可以保證細胞增殖分化以及凋亡的正常循環(huán)，而ERK1/2對RAS上游連接蛋白、交換因子的調(diào)控對保持該正向循環(huán)的運作發(fā)揮重要的作用。

以交換因子SOS1為例，作為結(jié)構(gòu)為1333個密碼子的蛋白，研究發(fā)現(xiàn)ERK2的激活可能會通過磷酸化SOS1的1132（絲氨酸）、1167（絲氨酸）、1178（絲氨酸）、1193（絲氨酸）、1197（絲氨酸）位點來調(diào)控分子締合，干擾 SOS1 與連接蛋白 Grb2 的結(jié)合，從而使ERK負反饋機制通過SOS1達到對RAS的調(diào)控。

RAF

此前我們提到過RAS蛋白的激活受上游RAS調(diào)控，激活狀態(tài)下的RAS通過招募下游位于細胞質(zhì)中的RAF蛋白，RAS與其結(jié)合并將其轉(zhuǎn)運至細胞膜處激活。

以CRAF（又名RAF-1）為例，ERK1對CRAF的負反饋機制主要是通過磷酸化289位點（絲氨酸）、296位點（絲氨酸）、301位點（絲氨酸）使CRAF蛋白脫敏，從而使其無法繼續(xù)定位在細胞膜上，以及無法繼續(xù)與活化的RAS結(jié)合。除此之外，哪怕其上游的RAS仍處于激活的狀態(tài)，脫敏狀態(tài)下的CRAF無法再次被其他的生長因子所激活。

對于結(jié)構(gòu)為766個密碼子的BRAF來說，ERK1/2對BRAF的負反饋除了同樣會使BRAF中斷與RAS的結(jié)合外（S151），對BRAF 151（絲氨酸）、401（蘇氨酸）、753（蘇氨酸）的磷酸化還會中斷BRAF與CRAF的二聚作用，從而達到ERK1/2的負反饋調(diào)控機制。

MEK1/2

對于結(jié)構(gòu)為392個密碼子的MEK1，作為ERK1/2的直接上游，是唯一可以激活ERK1/2的蛋白，而ERK1/2的激活同樣會反過來抑制MEK1蛋白的活性。從具體的負反饋機制來看，ERK1/2對于MEK1位點292（蘇氨酸）的磷酸化會抑制MEK1的活性，并且通過抑制MEK1的同時達到對MEK2的調(diào)節(jié)作用。

誘導(dǎo)通路內(nèi)特定抑制因子的重新合成

ERK1/2激活的負反饋機制除了可以對ERK上游各蛋白成分造成即時性的直接或間接抑制性磷酸化外，ERK1/2還可以通過轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)其下游各磷酸酶、抑制因子參與對ERK/MAPK通路的調(diào)控，該調(diào)控具有一定的延遲性。

在轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)的磷酸酶中，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)隸屬于雙特異性磷酸酶（DUSPs）族群中的雙特異性MAPK磷酸酶（MKPs）對ERK1/2蛋白的活性有向下調(diào)節(jié)的影響。以DUSP6（MKP-3）為例，其負向反饋的實現(xiàn)機制主要為ERK1/2介導(dǎo)了對其反應(yīng)性的轉(zhuǎn)錄因子ETS1與DUSP6基因啟動子的結(jié)合，從而使DUSP6高表達激活從而去磷酸化ERK1/2，下調(diào)ERK1/2的活性水平。

除了磷酸酶外，科學(xué)家們同樣發(fā)現(xiàn)由激活的ERK1/2介導(dǎo)活化的抑制因子Sprouty（Spry）可能可以對ERK1/2上游的RAS、RAF蛋白造成負向調(diào)節(jié)的作用。

ERK與腫瘤的發(fā)生

由上游成分活化所介導(dǎo)的下游ERK蛋白激活，會使其從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移入細胞核中，促進細胞質(zhì)靶蛋白磷酸化或調(diào)節(jié)其他蛋白激酶的活性，然后進一步磷酸化下游底物，依托正反饋和負反饋機制調(diào)控如細胞增殖、分化、循環(huán)、凋亡等正常生物進程。

但當(dāng)上游成分發(fā)生突變時，ERK蛋白的失調(diào)性持續(xù)激活會抑制ERK/MAPK通路的負反饋機制，持續(xù)的高表達ERK表達，持續(xù)的促進腫瘤細胞的生長、增殖，以及入侵和轉(zhuǎn)移。

相關(guān)研究通過對比卵巢癌患者的ERK1/2以及MKPs的表達水平，發(fā)現(xiàn)卵巢癌患者，特別是處于第Ⅲ/Ⅳ期的卵巢組織MKP1表達水平顯著低于處于第Ⅰ/Ⅱ期的患者，而同時ERK1/2的磷酸化水平則顯著高于第Ⅰ/Ⅱ期的患者，兩者負向的關(guān)聯(lián)性可能表示ERK/MAPK通路正反饋和負反饋機制的失衡程度與腫瘤細胞進展的相關(guān)度呈正向關(guān)聯(lián)。

ERK與腫瘤細胞生長與增殖

受ERK異常激活介導(dǎo)的腫瘤細胞生長與增長是一個復(fù)雜的過程，其中涉及大量的ERK下游基質(zhì)，依賴于ERK激活的下游各基質(zhì)可以磷酸化激活、轉(zhuǎn)錄出有利于腫瘤生長與增殖的各種酶和蛋白。

以血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）為例，所有細胞的生長，包括腫瘤細胞，都需要通過血管獲取所需的營養(yǎng)，失去血管的同步生長，腫瘤組織的大小很難長超過2mm3 ，而異常激活的ERK/MAPK通路可以持續(xù)的轉(zhuǎn)錄出VEGF，使腫瘤細胞上VEGF高表達，促進血管的生成從而促進腫瘤的生長。

來源：《The ERK Signal Transduction Pathway》

ERK與腫瘤細胞的侵蝕和轉(zhuǎn)移

腫瘤細胞的侵蝕和轉(zhuǎn)移涉及三個階段：對基底膜的粘附、對細胞外基質(zhì)的降解，以及最終對靶細胞器官的轉(zhuǎn)移。這個過程涉及多個信號通路的協(xié)調(diào)，其中ERK/MAPK信號通路在腫瘤的侵蝕和轉(zhuǎn)移中起重要作用。

細胞外基質(zhì)（ECM）是細胞分泌到細胞外間質(zhì)中的大分子物質(zhì)，由基底膜和細胞間質(zhì)組成，是腫瘤細胞轉(zhuǎn)移的重要屏障。腫瘤在生長到一定階段的時候，腫瘤細胞會脫離原發(fā)腫瘤，粘附在基底膜上并開始具有侵蝕性，這個過程中腫瘤細胞會分泌各種降解酶類。其中，受ERK的磷酸化激活的基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）會使細胞外基質(zhì)（ECM）水解化，協(xié)助腫瘤細胞穿過ECM進入血管。除此之外，相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)ERK/MAPK通路的異常激活對細胞骨架的變形發(fā)揮了重要作用，通過細胞骨架的變形增強了腫瘤細胞的運動能力，提升其轉(zhuǎn)移能力。

總的來說，腫瘤細胞會在周圍的基質(zhì)中浸潤生長并進入循環(huán)系統(tǒng)，在其中盡管大多數(shù)細胞會被免疫系統(tǒng)殺死，但少數(shù)存活能力強的腫瘤細胞到達靶器官后將繼續(xù)增殖，與原發(fā)腫瘤一樣形成新的轉(zhuǎn)移灶。

相關(guān)療法

有趣的是，盡管ERK在整條通路中發(fā)揮著最為關(guān)鍵的作用，且它的發(fā)現(xiàn)從80年代末期至今已有30多年的時間，但相比于其上游的成分，針對ERK的抑制劑的開發(fā)在優(yōu)先級程度來看卻不在一個量級上。

從相關(guān)藥物來看，全球范圍內(nèi)到目前為止沒有一個靶向ERK的抑制劑獲批上市，進展最快的項目也僅處于II期階段，包括BioMed Valley Discoveries開發(fā)的優(yōu)立替尼、禮來開發(fā)的LY3214996、諾華開發(fā)的LTT462。國內(nèi)目前有四個廠商開啟了海內(nèi)外試驗，相關(guān)ERK1/2抑制劑所處臨床階段多為I期。

圖表 2：全球ERK1/2抑制劑相關(guān)臨床試驗進展情況

來源：Clinicaltrails.gov，CDE，來覓數(shù)據(jù)整理

ERK抑制劑在近年來獲得越來越多關(guān)注的原因主要是由于ERK上游成分抑制劑誘導(dǎo)的耐藥機制的陸續(xù)出現(xiàn)，以及ERK作為通路的最后一環(huán)直接對其下游各基質(zhì)的誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄起到?jīng)Q定性的作用，直接阻斷ERK可以通過通路中最為關(guān)鍵的點位抑制異常激活的通路信號。

除此之外，大量研究發(fā)現(xiàn)腫瘤患者通過EGFR、RAF、MEK抑制劑獲得的通路抑制效應(yīng)在通路再次激活的情況下會對相應(yīng)的抑制劑產(chǎn)生耐藥效應(yīng)，通路再次激活的原因可能是由于個別通路成分的擴增、變異（如此前我們在BRAF中提到的一樣，盡管具體的耐藥獲得機制仍需進一步探究），而ERK抑制劑與其上游成分抑制劑的聯(lián)合用藥可以克服該耐藥問題。無論是對通路上游單一成分的靶向藥耐藥亦或是對上游多成分靶向藥的耐藥，研究發(fā)現(xiàn)將ERK抑制劑與其他成分抑制劑聯(lián)用都有顯著的抑制通路信號的療效。

需要注意的是，針對ERK/MAPK通路成分的抑制劑在最終抑制ERK活性的同時，也會對由ERK激活介導(dǎo)的負反饋機制帶來抑制的作用，而這結(jié)果上將間接的上調(diào)ERK/MAPK通路上游成分的活化能力。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)提升相關(guān)抑制劑的用藥量，或多成分靶向聯(lián)合抑制也許是解決這一問題的辦法，但伴隨著聯(lián)合療法的持續(xù)用藥，腫瘤細胞可能會逐漸擺脫對ERK/MAPK通路信號的依賴，原因在于ERK負反饋機制對上游成分作用的降低減弱，而上游成分的活性增強增強了其他信號通路對腫瘤細胞的支持作用，如P13K/AKT通路。

從國內(nèi)ERK/MAPK通路靶向藥相關(guān)廠商布局情況來看，二級市場上貝達藥業(yè)的管線范圍囊括了通路內(nèi)的所有成分，包括通路上游EGFR的靶向藥；其次為恒瑞醫(yī)藥，管線范圍涵蓋RAS、MEK以及ERK。

國內(nèi)一級市場上累計獲得過3次融資的捷思英達產(chǎn)品管線范圍囊括了通路內(nèi)的所有成分，其次為科州制藥，管線范圍涵蓋RAS、RAF以及MEK。

圖表 3：國內(nèi)二級市場ERK/MAPK通路廠商布局情況

來源：來覓數(shù)據(jù)，Wind醫(yī)藥庫

圖表 4：國內(nèi)一級市場ERK/MAPK通路廠商布局情況

來源：來覓數(shù)據(jù)，Wind醫(yī)藥庫

盡管靶向藥的用藥不可避免地會遭遇耐藥機制地出現(xiàn)，但可以預(yù)見地是，伴隨著業(yè)界對ERK/MAPK通路認識的加深以及各聯(lián)合用藥在臨床試驗中的穩(wěn)步推進，必會為相關(guān)癌癥患者帶來全新且有效的療法。

參考資料

1.《Targeting ERK, an Achilles' Heel of the MAPK pathway, in cancer therapy》，2018，APSP

2.《ERK/MAPK signalling pathway and tumorigenesis (Review)》, 2020/01，Experimental and Therapeutic Medicine

3.《Negative feedback regulation of the ERK1/2 MAPK pathway》, 2016/06, Springer

4.《Development of small molecule extracellular signal-regulated kinases (ERKs) inhibitors for cancer therapy》, 2021/12，ScienceDirect