Nature | 基因改变参与KRAS突变蛋白抑制剂耐药

KRAS突变是最常见的致癌性突变，常见于包括肺癌、结直肠癌、胰腺癌等多种高发和高致死率的癌症。在所有KRAS突变中，KRAS（G12C）突变在肺癌中最高发，同时这种突变也常发生在结直肠癌和胰腺癌中。长期以来，由于 KRAS蛋白表面光滑、缺乏有效、稳定的药物结合位点，研发直接靶向KRAS突变蛋白的抑制剂一直未能实现。直到2013年，Shokat实验室首次报道了能够直接靶向KRAS（G12C）突变蛋白的抑制剂【1】：此类抑制剂与突变的半胱氨酸进行共价结合，通过结合非活性状态的KRAS（结合GDP）从而阻断KRAS（GDP）进一步通过“核苷酸循环”被激活 （GTP结合）【2】。经过一系列的发展，现在已有两种抑制剂（分别由Amgen和Mirati公司研制）进入临床试验，并且Amgen公司研发的抑制剂（Sotorasib）目前已通过美国FDA批准上市，用于非小细胞肺癌的治疗。

目前针对这类抑制剂的临床实验的结果表明，此类抑制剂虽然能够对30-40% 相关癌症患者起作用，但对于接受治疗的肺癌患者平均无病存活期只有6个月【3】，表明很大一部分患者在接受抑制剂治疗后会产生耐药。因此研究耐药机制能够有助于更有效的应用这类抑制剂。在2020年，美国斯隆凯特琳癌症研究中心（MSKCC）的Piro Lito 实验室首次报道了癌细胞能够在此类抑制剂作用后通过合成新的KRAS蛋白，后者在EGFR， SHP2及AURKA信号的作用下激活，使细胞无法继续被抑制进而导致细胞对该抑制剂快速耐受（详见BioArt报道：Nature | 癌细胞对KRASG12C抑制剂存在快速耐受性）【4】。然而对于此类抑制剂治疗产生耐药的基因层面的变化尚不清楚。

为了研究与该抑制剂耐药相关的基因变化，2021年11月10日，Piro Lito实验室与MSKCC的临床药物试验研究组以及AMGEN制药公司合作（第一作者为赵玉磊 和Yonina R. Murciano-Goroff, Jenny Y. Xue, Agnes Ang）在Nature上发表了文章Diverse alterations associated with resistance to KRAS(G12C) inhibition，获取了相关临床样本并结合临床前模型及相关基础实验，研究报道了针对Sotorasib耐药性相关的基因改变并提出了相应治疗方案。

该研究收集了共43例进行临床Sotorasib药物试验病人的治疗前、后的组织和/或游离DNA样本。通过对收集的病人样本进行高通量靶向基因测序，发现27位病人在经过该药物治疗产生耐药后的样本中含有包括KRAS，NRAS， BRAF, EGFR, FGFR2, MYC等不同的基因改变。其中～16%的病人样本中检测到RAS基因的改变（KRAS突变，NRAS突变及KRAS拷贝数增多）；另有3位病人存在BRAF突变。此外其他检测到的基因改变还包括：EGFR扩增及突变， FGFR扩增及突变，MET扩增，MYC扩增和IDH1/2突变等。然而从病人样本中检测出的与耐药相关的基因的等位基因突变频率（variant  allele frequency，VAF）都非常低，因此并不能确定这些基因的改变是否能够导致耐药。为进一步确定，研究人员获取了8位临床病人样本并用其构建了人源小鼠荷瘤模型(PDX)，通过在这些模型上进行G12C抑制剂的治疗，然后获取分离耐药和对照组肿瘤，进行基因测序。在其中两个模型中检测到了KRAS 、BRAF突变；同时在另外3个对药物不敏感的模型中检测到了高基础拷贝数的KRAS基因，进一步提示BRAF，RAS突变与耐药性密切相关。与此同时，研究人员在体外构建了三株对此类抑制剂耐药的细胞系，并对其进行了单细胞基因测序。结果在三株细胞系中同样发现了RAS及BRAF致癌性基因突变。并且其中一株细胞中含有MRAS突变，MRAS与RAS蛋白家族同源，但MRAS突变在肿瘤中非常少见。通过单细胞测序分析发现，这些突变基因能够与KRAS（G12C）突变同时存在于同一个细胞中。这一发现不同于目前广泛认为的“RAS致癌突变互斥理论”。进一步研究人员对MSKCC临床样本库中8750例含有KRAS突变的未进行抑制剂治疗的肿瘤样本进行分析，结果发现～3%的肿瘤样本中同时含有多种RAS突变；而RAS突变的比例在治疗前、后的临床样本以及耐药模型中明显增高，分别为16% 和 22%。提示G12C抑制剂能够使RAS突变比例增高，同时RAS突变可能参与G12C抑制剂的耐药。

由于通过三种方式发现的治疗后的基因突变都是多克隆性的，为进一步证明所检测到的基因变化能够驱动对KRAS突变蛋白抑制剂耐药，科研人员将这些突变的基因克隆到通过dox诱导表达的载体中并导入对抑制剂敏感的细胞系中。在这些细胞中诱导表达这些突变基因同时进行不同浓度抑制剂作用，发现抑制剂作用下的细胞中KRAS（G12C）仍然处于抑制状态，但下游ERK的抑制状态却减弱，表明突变基因能够激活KRAS下游信号通路从而达到抑制细胞对药物的敏感性；同时发现，即便用很低的dox进行诱导RAS突变基因的表达，也能够降低细胞原本对抑制剂的敏感度，提示即便表达量低或者多克隆状态，这些突变基因也可能达到使肿瘤耐药的状态。为进一步证实这个推测，研究者用不同的荧光蛋白分别标记抑制剂敏感细胞（亲本细胞）和可诱导表达NRAS（Q61K）的细胞，然后将两种细胞按不同的比例进行混合，来模拟肿瘤中可能存在的低等位基因突变率的基因改变。通过进行对抑制剂浓度滴定测试，发现细胞的耐药性随着NRAS突变在混合细胞中所占比例的增高而增强。同时即便NRAS 突变细胞只占混合细胞的7%，也足以使50%的混合细胞丧失对抑制剂的敏感性，提示NRAS突变细胞能够使周围原本对药物敏感的细胞敏感度降低。为进一步证实这一假设，研究人员利用流式细胞仪对不同比例混合的并且经过抑制剂作用后的细胞进行分析，发现敏感细胞存活的比例随着NRAS突变细胞的比例增高而增高。综上证明，RAS及BRAF突变能够通过激活KRAS下游信号通路（细胞内调节）或者影响提高周围敏感细胞的耐药性（细胞间调节）从而引起肿瘤的耐药 。

既然继发性RAS突变能够引起癌细胞对于KRAS（G12C）抑制剂耐药，那么如何能够抑制这类基因改变所引发的耐药呢？为解决这一问题，研究人员利用CRISPR全基因组筛选技术对耐药细胞株（含有NRAS（Q61K）突变）和其相应敏感细胞株在有无抑制剂作用的条件下进行筛选，来寻找能够用来作为抑制此类耐药性的治疗标靶。筛选结果表明，NRAS， SHOC2， 及MAPK信号通路相关基因是引起耐药的主要原因。利用sgRNA 特定敲除SHOC2能够明显提高耐药细胞株对于KRAS（G12C）抑制剂的反应；同样地，siRNA靶向NRAS也能够有效提高耐药细胞株对抑制剂的敏感度。但由于目前尚无有效药物能够靶向上述两个基因，而同时筛选结果表明MAPK信号通路是主要引起耐药的原因，因此，研究人员进一步利用现有针对MAPK 信号通路的抑制剂（RAF 抑制剂，MEK抑制剂和ERK抑制剂）联合G12C抑制剂进行用于检测其对于耐药细胞株以及过表达不同RAS/BRAF突变的细胞系的治疗效果。结果表明，同时联合MAPK信号通路抑制剂能够有效抑制RAS/BRAF突变引起的耐药性细胞的增殖。进一步在小鼠皮下异种移植耐药细胞株或者人源肿瘤构建的模型中也发现联合应用MEK和KRAS（G12C）抑制剂相比单一抑制剂的治疗能够更有效地抑制肿瘤的生长。

综上，本研究通过结合临床样本、人源肿瘤异种移植小鼠模型、以及耐药细胞株三种不同体系研究与G12C抑制剂耐药相关的基因变化，发现与耐药相关的基因变化呈现出异质性，多克隆性和低等位基因突变率（VAF）的情况，可能与临床样本取样以及缺乏持续性的药物筛选相关。进一步RAS、BRAF的突变经过验证证明在多克隆的情况下也能引起耐药，并且可能存在细胞间相互作用的调节方式能够驱动耐药。针对此类基因改变引发的耐药情况，研究结果提示联合使用MAPK信号通路抑制剂能够对此类突变引起的耐药性起到改善并且延长KRAS突变蛋白抑制剂的有效作用时间。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04065-2