靶向SHP2抑制剂最新研究现状及未来方向

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含SrC同源性2的蛋白酪氨酸磷酸酶2(SHP2)是一种非受体蛋白酪氨酸磷酸酶,属于蛋白酪氨酸磷酸酶(PTP)家族。研究表明,SHP2的失调与异常的细胞增殖、分化、粘附迁移和凋亡有关。并且抑制SHP2功能可有效克服化疗等药物治疗后产生的耐药性。因此,SHP2是一个潜在的癌症治疗靶点。由于细胞通透性低和生物利用度差,传统的针对蛋白酪氨酸磷酸催化位点的抑制剂的效果普遍不理想。近年来,研究人员开发了对SHP2具有显著抑制作用的变构抑制剂,并且在实体肿瘤上进行的临床试验也取得显著进展。其中,进展最快的是诺华研制的处于临床二期的TNO-155。




SHP2靶点介绍

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SHP2的结构特征 

SHP2作为一种非受体蛋白酪氨酸磷酸酶,在细胞信号转导的下游发挥重要作用。SHP2受生长因子、细胞因子和整合素受体的调控,参与细胞存活、增殖和迁移等细胞过程。SHP2的N端由两个SH2结构域(N-SH2和C-SH2)和一个具有催化活性的PTP结构域组成,C端包含两个p-Tyr位点(Y542和Y580)和一个富含脯氨酸的基序(图1)


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图1.SHP2蛋白结构

在其失活状态下,SHP2蛋白被PTP域和N-SH2结构域催化表面的残基自动抑制,从而抑制SHP2蛋白的活性,限制底物进入催化位点。在生长因子或细胞因子的刺激下,SHP2通过其SH2结构域与磷酸酪氨酸位点结合而被招募,使SHP2发生构象变化暴露出催化位点,从而实现了对SHP2的准确催化活化,进而激活下游信号通路(图2)


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图2.SHP2的失活状态和活性状态

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SHP2介导的信号通路 

SHP2蛋白由PTPN11编码,是一种去磷酸化酶,属于蛋白酪氨酸磷酸酶(PTPs)家族。SHP2作为包括Ras-Raf-MEK-ERK、JAK-STAT、PI3K-AKT-mTOR和PD-1/PD-L1通路在内的多种信号通路的汇聚节点,可以增强或拮抗与经典细胞存活相关的和具有底物特异性的免疫调节途径。研究发现,SHP2在癌症中具有双面性的作用,它既可以作为磷酸酶发挥显著的致癌功能,也可以以环境依赖的方式作为肿瘤抑制因子。


研究表明,SHP2参与调节生物体内多种信号通路(图3)。SHP2结合位点存在于RTK和骨架衔接子(如GAB、IRS、FRS等蛋白)中,因此这种“分子开关”确保SHP2仅在适当的细胞区域被激活。在生长因子和细胞因子信号传导中,SHP2作用于RAS的上游,并使细胞外调节蛋白激酶ERK/丝裂原活化蛋白激酶MAPK途径完全活化。此外,SHP2的C末端酪氨酸能够响应大多数激动剂而发生磷酸化,酪氨酸磷酸化的SHP2募集接头蛋白GRB2和鸟嘌呤核苷酸交换因子SOS,有助于RAS活化。此外,SHP2通过其N-SH2结构域结合免疫检查点蛋白PD-1的磷酸酪氨酸基序(pTyr motif),参与调节T细胞的活性。因此,SHP2是一个重要的抗癌靶点。


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图3.SHP2介导的信号通路


SHP2抑制剂研究进展

研究表明,酪氨酸磷酸化失调与包括癌症在内的各种人类疾病有关。SHP2作为多种受体酪氨酸激酶RTK信号及其表达的主调控因子,并在多种癌症类型中调节恶性表型。它能促进肿瘤的增殖、侵袭、转移和对化疗的耐药性。SHP2在促进肿瘤生长和T细胞失活中发挥双向作用,发挥免疫调节作用。研究发现,突变和异常的SHP2表达或活性与人类发育障碍、白血病和一些实体肿瘤有关。此外,SHP2过表达或激活升高介导了多种癌症的耐药性。


研究表明,抑制SHP2活性可抑制肿瘤细胞的生长。因此,用小分子抑制剂抑制SHP2或许是治疗具有致癌性SHP2过表达或活性的癌症的有效治疗方法。基于SHP2在人类癌症的多种癌症关键细胞过程中的致癌作用,以及它在对靶向抗癌药物的耐药性中的作用,SHP2是一个富有治疗前景的抗癌靶点。


SHP2完成了从“不可成药”到明星靶点的角色转变。SHP2抑制剂经历了从催化位点抑制剂到变构位点抑制剂,再到SHP2降解剂的研发历程。目前,针对SHP2靶点尚无药物获批上市,多款SHP2小分子抑制剂获批临床。其中,进展最快的处于Ⅱ期临床的TNO-155。值得注意的是,TNO155也是首款进入临床阶段的SHP2抑制剂。SHP2作为一个明星癌症靶点,已发展成为国内外多家药企争相布局的焦点。如:诺华、艾伯维、加科思、诺诚健华、苏州勤浩医药等。其中,国内进展最快的加科思的JAB-3068。据不完全统计,目前针对SHP2小分子抑制剂有:II期临床药物4个,I期临床药物11个。此外,多个研究机构布局SHP2降解剂的开发。


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图4.SHP2抑制剂研究进展(图片来源:凯莱英药闻)

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靶向SHP2催化位点抑制剂 

早期小分子SHP2抑制剂的尝试主要集中在活性位点抑制剂的开发。尽管发现了几种催化SHP2抑制剂,但由于它们明显缺乏所需的药代动力学特性,以及与其他PTPs的非特异性结合,使得靶向SHP2催化位点的抑制剂难以成药。并且,许多PTPs高度保守的氨基酸序列和PTP结构域活性位点的正电荷性质,使得很难发现对SHP2催化位点具有高亲和力且具有足够细胞通透性的小分子抑制剂。此外,由于SHP2和SHP1之间的结构高度同源性,使得开发SHP2的选择性催化抑制剂步履维艰。代表性的催化位点SHP2抑制剂,如11a-1(IC50 = 0.2 μm)和CNBDAIC50 = 5 μm)对SHP2的抑制活性分别是SHP1的7倍和25倍(图5)


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图5.代表性的SHP2催化位点抑制剂

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靶向SHP2变构位点抑制剂 

研究表明,SHP2的小分子抑制剂不仅与磷酸酪氨酸结合袋相互作用,而且与特定PTPs特有的附近外周位点相互作用,研究人员尝试开发靶向SHP2变构位点的小分子抑制剂,以克服与催化位点抑制剂相关的内在限制因素。


事实上,变构SHP2抑制剂是具有改进的药代动力学和药效学特性的小分子SHP2抑制剂的突破性成果。它们具有更好的细胞通透性和良好的口服生物利用度,并具有更多的靶标选择性和效力,比早期的催化位点抑制剂具有更大的优势。从机制上讲,变构抑制剂通常通过与位于封闭的非活性构象的结构域间界面的口袋结合来稳定SHP2的自抑制状态。它们主要针对串联的SH2结构域,特别是N-SH2结构域,并通过作为N-SH2结构域和催化结构域之间的分子胶,阻碍了激活所需的N-SH2/loop/C-SH2的运动。


2016年,诺华报道了第一款SHP2变构抑制剂SHP099,SHP099可以同时结合到SHP2的N-SH2、C-SH2和PTP结构域的界面上,并稳定SHP2的自抑制构象。研究发现,变构SHP2抑制剂如IACS-13909(IC50 = 15.7 nm)对SHP2具有特异性,对SHP1没有抑制作用。TNO155(IC50 = 0.011 μm)和LY6(IC50 = 9.8 μm)也表现出对SHP2的高度选择性。此外,一些变构SHP2抑制剂,包括SHP099、TNO155、RMC-4630正在研究与其他抑制剂联用。目前,变构SHP2抑制剂包括BBP-398、JAB-3068、TNO155、RMC-4630正处于I/II期治疗各种类型转移性实体瘤的临床试验(图6)


然而,变构SHP2抑制剂也不是没有局限性。这些药物的一个关键局限性是它们不能有效抑制SHP2突变体。因此,开发对SHP2突变体有效的抑制剂是后续研究的焦点。


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图6.代表性的SHP2变构抑制剂结构

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靶向SHP2 PROTAC降解剂 

靶向蛋白水解嵌合体PROTAC是一种新型的、通过降解疾病相关蛋白而发挥治疗作用的策略。PROTAC分子劫持E3连接酶与POI形成三元复合物,诱导蛋白酶体泛素化和随后的POI降解。其优势在于可以低剂量有效抑制POI,并快速降解和清除,提供了一种高安全性、抗耐药性和广泛应用前景的有效策略。由于SHP2抑制剂不能有效作用SHP2突变体,因此通过PROTAC策略靶向降解SHP2成为SHP2介导的癌症治疗的替代策略,并为抑制SHP2活性提供了一种非常有效的方法。


迄今为止发现的一些高效的SHP2降解物包括D26、ZB-S-29(DC50 = 6.02nm)、SP4、R1-3C(图7)。其中,王少萌团队开发的SHP2-D26是第一个被发现的基于VHL配体的SHP2 PROTAC。研究发现D26可以快速有效彻底地降解SHP2蛋白,在KYSE-520(DC50 = 6.0 nm)和mv-4-11(DC50=2.6 nm)癌细胞系中,它比SHP099(>30倍)更有效地抑制Erk磷酸化和肿瘤细胞生长。


同样,华中科技大学李华团队报道了第一个CRBN招募的SHP2 PROTAC sp4 ,研究发现SP4比SHP099更有效抑制癌细胞的生长。此外,基于RMC-4550的SHP2 PROTAC R1-5c也是一种高度选择性的SHP2降解剂,它在亚微摩尔浓度下就能显著诱导SHP2降解,抑制Erk信号通路,同时抑制白血病细胞生长。因此,SHP2降解剂的开发提供了一种新型有效的基于SHP2靶点的抗癌策略。


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图7. 已报道的SHP2 PROTAC

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靶向SHP2蛋白-蛋白相互作用抑制剂 

最近,罗马大学bobone等人报道了一种SHP2靶向治疗的新策略,该策略使用肽分子OP(GLN-F2Pmp-IDLDW)靶向SHP2与其底物和/或结合伙伴之间的蛋白-蛋白相互作用(PPI),而不是抑制其催化活性。研究发现,Op对SHP2的N-SH2结构域具有低纳摩尔亲和力和高特异性,同时也表现出较好的抗降解性。这一成果的发表表明,抑制SHP2与其他蛋白蛋白蛋白相互作用PPI也是一种富有前景的靶向SHP2治疗的替代方法。


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图8. 靶向SHP2 PPI的抑制剂


— 小结 

在PTP家族中,SHP2是唯一一种可能导致癌症的蛋白。同时,SHP2也是第一个被发现的致癌性磷酸酶。过去几年里,基于SHP2抑制剂的研发已经取得了长足的进步。早期研发的靶向催化位点的SHP2抑制剂因选择性差、生物利用度低等原因未能成药。目前已经成功开发了多个靶向SHP2变构位点的抑制剂,并且已有多个SHP2抑制剂获批临床。此外,使用SHP2抑制剂与其他靶点抑制剂联合治疗耐药性癌症是一种很有前途的策略。


然而,也有研究表明,目前成功开发的基于变构位点的SHP2抑制剂存在着脱靶问题。此外,一些已进入临床试验阶段SHP2抑制剂仍具有改进的药代动力学和药效学特性,需要进一步开发研究。同时,由于SHP2在正常情况下参与调节各种生理过程,因此SHP2抑制所引起的潜在副作用值得广泛关注。此外,SHP2磷酸酶具有广泛的底物,在癌症治疗中可能发生潜在的毒性,因此,局部给药可能是减少副作用的方法之一。尽管困难重重,但我们依然相信,SHP2抑制剂将会成为新一个药物研发的掘金之地,有望产生重磅炸弹级别的全新抗癌药物,造福更多的患者。


参考文献:(上下滑动查看更多)

1、Targeting Oncogenic Src Homology 2 Domain-Containing Phosphatase 2 (SHP2) by Inhibiting Its Protein–Protein Interactions. doi.org/10.1021/acs.jmedchem.1c01371


2、A comprehensive review of SHP2 and its role in cancer. doi.org/10.1007/s13402-022-00698-1


3、The ‘Shp’ing news: SH2 domain-containing tyrosine phosphatases in cell signaling. Trends Biochem. Sci. 28, 284–293 (2003)


4、Structural reorganization of SHP2 by oncogenic mutations and implications for oncoprotein resistance to allosteric inhibition. Nat. Commun. 9, (2018)


5、Targeting Oncogenic Src Homology 2 Domain-Containing Phosphatase 2 (SHP2) by Inhibiting Its Protein-Protein Interactions. J. Med. Chem. (2021)


6、Tyrosine phosphatase SHP2 inhibitors in tumor targeted therapies. doi.org/10.1016/j.apsb.2020.07.010


7、《打破“不可成药”魔咒,SHP2抑制剂谁将率先突围?》凯莱英药闻


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