Wind萬得 - 生物醫藥靶點賽道：ERK1/2－鑽石舞台

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絡中的重要途徑之一，是細胞增殖、分化、細胞凋亡以及正常條件和病理條件下應激反應的關鍵信號通路。、

MAPK主要有4個亞族，對應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腫瘤的發生和增殖，故皆已成為各類創新藥靶向的熱門靶標。

作為此系列的最後一篇，總結下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，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）的結合，使RAS處於激活狀態。激活狀態下的RAS蛋白招募下游位於細胞質中的RAF蛋白並與其位於N端的CR1結構域結合，將RAF蛋白轉運至細胞膜使其激活。激活狀態下的RAF進一步通過其位於C端的CR3結構域與下游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

細胞外調節蛋白激酶（ERK）有5個亞族，包括ERK1~5。其作為MAPK/ERK信號通路的最後一環，是將信號從表面受體傳導至細胞核的關鍵。ERK作為唯一激活位點直接參與對下游大量基質的激活，進而通過調控所轉錄出的各類蛋白來誘導調節細胞的增殖、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由兩個途徑實現：對ERK上游成分（EGFR、RAS、RAF、MEK）特定位點的直接磷酸化，以及誘導通路內特定抑制因子（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控的ERK上游成分來源：PhosphoSite，來覓數據整理

EGFR

幾乎所有的ERK上游成分都受負反饋機制直接調控。以EGFR蛋白為例，作為結構為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、乙酰化的不同EGFR位點對其本身以及下游的傳導作用都是不一樣的。

從誘發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。

已有相關研究表明依賴於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EGFR的信號。除此之外，有相關研究表示ERK 1/2會通過酪氨酸磷酸酶CDC25C來間接使EGFR去磷酸化，背後的機制為ERK1/2通過CDC25C的48位點（蘇氨酸）激活CDC25C，CDC25C隨後會通過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。

RAS

此前我們提到過RAS受SOS介導激活。在正常生理機制下，由上游生長因子所介導的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，而ERK1/2對RAS上游連接蛋白、交換因子的調控對保持該正向循環的運作發揮重要的作用。

以交換因子SOS1為例，作為結構為1333個密碼子的蛋白，研究發現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）位點來調控分子締合，干擾 SOS1 與連接蛋白 Grb2 的結合，從而使ERK負反饋機制通過SOS1達到對RAS的調控。

RAF

此前我們提到過RAS蛋白的激活受上游RAS調控，激活狀態下的RAS通過招募下游位於細胞質中的RAF蛋白，RAS與其結合併將其轉運至細胞膜處激活。

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，從而使其無法繼續定位在細胞膜上，以及無法繼續與活化的RAS結合。除此之外，哪怕其上游的RAS仍處於激活的狀態，脫敏狀態下的CRAF無法再次被其他的生長因子所激活。

對於結構為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的負反饋調控機制。

MEK1/2

對於結構為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對於MEK1位點292（蘇氨酸）的磷酸化會抑制MEK1的活性，並且通過抑制MEK1的同時達到對MEK2的調節作用。

誘導通路內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還可以通過轉錄誘導其下游各磷酸酶、抑制因子參與對ERK/MAPK通路的調控，該調控具有一定的延遲性。

在轉錄誘導的磷酸酶中，相關研究發現隸屬於雙特異性磷酸酶（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節的影響。以DUSP6（MKP-3）為例，其負向反饋的實現機制主要為ERK1/2介導了對其反應性的轉錄因子ETS1與DUSP6基因啟動子的結合，從而使DUSP6高表達激活從而去磷酸化ERK1/2，下調ERK1/2的活性水平。

除了磷酸酶外，科學家們同樣發現由激活的ERK1/2介導活化的抑制因子Sprouty（Spry）可能可以對ERK1/2上游的RAS、RAF蛋白造成負向調節的作用。

ERK與腫瘤的發生

由上游成分活化所介導的下游ERK蛋白激活，會使其從細胞質轉移入細胞核中，促進細胞質靶蛋白磷酸化或調節其他蛋白激酶的活性，然後進一步磷酸化下游底物，依託正反饋和負反饋機制調控如細胞增殖、分化、循環、凋亡等正常生物進程。

但當上游成分發生突變時，ERK蛋白的失調性持續激活會抑制ERK/MAPK通路的負反饋機制，持續的高表達ERK表達，持續的促進腫瘤細胞的生長、增殖，以及入侵和轉移。

相關研究通過對比卵巢癌患者的ERK1/2以及MKPs的表達水平，發現卵巢癌患者，特別是處於第Ⅲ/Ⅳ期的卵巢組織MKP1表達水平顯著低於處於第Ⅰ/Ⅱ期的患者，而同時ERK1/2的磷酸化水平則顯著高於第Ⅰ/Ⅱ期的患者，兩者負向的關聯性可能表示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度呈正向關聯。

ERK與腫瘤細胞生長與增殖受ERK異常激活介導的腫瘤細胞生長與增長是一個複雜的過程，其中涉及大量的ERK下游基質，依賴於ERK激活的下游各基質可以磷酸化激活、轉錄出有利於腫瘤生長與增殖的各種酶和蛋白。

以血管內皮生長因子（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，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通路可以持續的轉錄出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移

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

細胞外基質（ECM）是細胞分泌到細胞外間質中的大分子物質，由基底膜和細胞間質組成，是腫瘤細胞轉移的重要屏障。腫瘤在生長到一定階段的時候，腫瘤細胞會脫離原發腫瘤，粘附在基底膜上並開始具有侵蝕性，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金屬蛋白酶（MMPs）會使細胞外基質（ECM）水解化，協助腫瘤細胞穿過ECM進入血管。除此之外，相關研究還發現ERK/MAPK通路的異常激活對細胞骨架的變形發揮了重要作用，通過細胞骨架的變形增強了腫瘤細胞的運動能力，提升其轉移能力。

總的來說，腫瘤細胞會在周圍的基質中浸潤生長並進入循環系統，在其中儘管大多數細胞會被免疫系統殺死，但少數存活能力強的腫瘤細胞到達靶器官後將繼續增殖，與原發腫瘤一樣形成新的轉移灶。

相關療法

有趣的是，儘管ERK在整條通路中發揮着最為關鍵的作用，且它的發現從80年代末期至今已有30多年的時間，但相比於其上游的成分，針對ERK的抑制劑的開發在優先級程度來看卻不在一個量級上。

從相關藥物來看，全球範圍內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於II期階段，包括BioMed Valley Discoveries開發的優立替尼、禮來開發的LY3214996、諾華開發的LTT462。國內目前有四個廠商開啟了海內外試驗，相關ERK1/2抑制劑所處臨床階段多為I期。

圖表 2：全球ERK1/2抑制劑相關臨床試驗進展情況來源：Clinicaltrails.gov，CDE，來覓數據整理

ERK抑制劑在近年來獲得越來越多關注的原因主要是由於ERK上游成分抑制劑誘導的耐藥機制的陸續出現，以及ERK作為通路的最後一環直接對其下游各基質的誘導轉錄起到決定性的作用，直接阻斷ERK可以通過通路中最為關鍵的點位抑制異常激活的通路信號。

除此之外，大量研究發現腫瘤患者通過EGFR、RAF、MEK抑制劑獲得的通路抑制效應在通路再次激活的情況下會對相應的抑制劑產生耐藥效應，通路再次激活的原因可能是由於個別通路成分的擴增、變異（如此前我們在BRAF中提到的一樣，儘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，研究發現將ERK抑制劑與其他成分抑制劑聯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激活介導的負反饋機制帶來抑制的作用，而這結果上將間接的上調ERK/MAPK通路上游成分的活化能力。有相關研究發現提升相關抑制劑的用藥量，或多成分靶向聯合抑制也許是解決這一問題的辦法，但伴隨着聯合療法的持續用藥，腫瘤細胞可能會逐漸擺脫對ERK/MAPK通路信號的依賴，原因在於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ERK/MAPK通路靶向藥相關廠商布局情況來看，二級市場上貝達藥業的管線範圍囊括了通路內的所有成分，包括通路上游EGFR的靶向藥；其次為恆瑞醫藥，管線範圍涵蓋RAS、MEK以及ERK。

國內一級市場上累計獲得過3次融資的捷思英達產品管線範圍囊括了通路內的所有成分，其次為科州製藥，管線範圍涵蓋RAS、RAF以及MEK。

圖表 3：國內二級市場ERK/MAPK通路廠商布局情況來源：來覓數據，Wind醫藥庫