283: c-Abl蛋白激酶和伊马替尼（c-Abl Protein Kinase and Imatinib）

Author: Allison Abel, Darlene R. Malave-Ramos, Bhavya Soni, Christopher Thai, Amy Wu-Wu, David S. Goodsell, Stephen K. Burley Translator: 于 健（PDBj）


这篇文章和文章中的插图是由Allison Abel，Darlene R. Malave-Ramos，Bhavya Soni，AChristopher Thai和Amy Wu-Wu撰写和制作的，作为罗格斯定量生物医学研究所（Rutgers Institute for Quantitative Biomedicine）组织的为期一周的本科生和研究生强化训练营的一部分。这也作为2023-2024年PDB-101健康重点 "癌症生物学和治疗学 "（health focus on "Cancer Biology and Therapeutics"）的一部分发表。

整个c-Abl蛋白的计算结构模型。帽区、SH3和SH2调控结构域以及激酶结构域形成一个复合物，在c-Abl的一端形成一个确定的恒定构象。在细胞中，肉豆蔻酰基结合到帽区的自由端。一个不具有固有恒定结构的大区域与链另一端的F-肌动蛋白结合域相连。
整个c-Abl蛋白的计算结构模型。帽区、SH3和SH2调控结构域以及激酶结构域形成一个复合物，在c-Abl的一端形成一个确定的恒定构象。在细胞中，肉豆蔻酰基结合到帽区的自由端。一个不具有固有恒定结构的大区域与链另一端的F-肌动蛋白结合域相连。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

蛋白激酶（protein kinase）最初被避开作为癌症化疗的靶点。众所周知，蛋白激酶是绝佳的靶点，因为它们在细胞功能的各个方面都发挥着重要作用，并受到严格调控，任何调控的改变都可能导致癌症和其他疾病的发生。然而，细胞中有许多不同类型的激酶，它们在结构上相似，与ATP的结合位点也相似。长期以来，人们认为这些相似性将不可避免地导致脱靶结合，从而导致任何针对这些激酶活性位点的药物产生副作用。

结构打开大门

幸运的是，结构生物学证明这些最初的假设是错误的。随着蛋白激酶结构的阐明，人们发现它们的ATP结合口袋有足够的差异，从而有助于结构引导选择性药物的发现和开发。抗癌药物伊马替尼（imatinib）是一个具有里程碑意义的成功案例，自此之后，各种蛋白激酶的选择性小分子抑制剂被成功开发出来。其中许多都是结构引导药物发现的结果。

紊乱但不失调

伊马替尼以c-Abl为靶点，c-Abl是一种酪氨酸激酶，可选择性地将磷酸基团从ATP转移至酪氨酸。从计算出的全长蛋白质模型（PDB条目AF_AFP00519F1）中可以看出，c-Abl是一个由多个功能部分组成的复合物。两个区域，激酶和调节结构域（kinase and regulatory domains，PDB条目1opl）和F-肌动蛋白结合结构域（F-actin binding domain，PDB条目1zzp），是稳定的折叠结构。使用X射线晶体学和核磁共振光谱进行详细研究表明，它们通过一个长的、固有的非恒定构象连接在一起，但保持高度柔性。一端是一个短的柔性尾部，称为帽区，与肉豆蔻酰基（myristoyl group）相连。帽区具有蛋白质的锁定机制，控制着蛋白质的功能。在非活性状态下，肉豆蔻酰基与激酶结构域中的一个口袋结合，导致构象变化，使激酶结构域与调节结构域紧密结合，阻止催化活性。为了激活蛋白，外部细胞信号与c-Abl的调控结构域相互作用，从激酶结构域释放肉豆蔻酰基，暴露出活性位点，使特定底物发生磷酸化。

癌变组合

在正常蛋白中，与激酶结构域结合的肉豆蔻酰基在需要时会抑制蛋白的活性；而Bcr-Abl缺乏这种自身抑制的肉豆蔻酰基，并保持持续的活性。与激酶活性位点结合的ATP显示为绿色。
在正常蛋白中，与激酶结构域结合的肉豆蔻酰基在需要时会抑制蛋白的活性；而Bcr-Abl缺乏这种自身抑制的肉豆蔻酰基，并保持持续的活性。与激酶活性位点结合的ATP显示为绿色。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

c-Abl酪氨酸激酶的基因异常与慢性骨髓性白血病（chronic myelogenous leukemia，CML）有关，这是一种骨髓中未成熟细胞的癌症。费城染色体（Philadelphia chromosome），当9号染色体的一部分被22号染色体的一部分取代时就形成了费城染色体。这种平衡的基因易位融合了c-abl和bcr基因，从而产生了一种名为Bcr-Abl的独立蛋白质。这种突变的酪氨酸激酶有一个自身抑制帽区，没有肉豆蔻酰基，因此它始终处于活性状态，不需要正常细胞信号的激活。这使得Bcr-Abl能够继续分裂；Bcr-Abl还能阻止细胞凋亡（apoptosis，细胞诱导自身死亡的过程），细胞通过凋亡来防止癌细胞的积累；Bcr-Abl的作用会导致不成熟的、部分功能的血液凋亡。由于Bcr-Abl的作用，未成熟的、部分功能的血细胞的积累会对被诊断为CML的患者产生破坏性影响，最终导致急性白血病（acute leukemic condition），称为急性转化期（blast phase，爆发期）。美国食品和药物管理局（United States Food and Drug Administration）批准的伊马替尼和其他Bcr-Abl抑制剂的治疗已将10年生存率大幅提高至约85%。许多CML患者现在的预期寿命与健康成人大致相同。

探索结构

c-Abl和c-Kit。

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伊马替尼阻断c-Abl激酶结构域中的ATP结合位点并停止其作用，从激酶结构中可以看出，包括ADP（PDB条目2g2i）和伊马替尼（PDB条目2hyy），激酶中的几个区域对其功能和伊马替尼的抑制作用非常重要。"激活环"（activation loop）覆盖活性位点并控制活性位点的进入。它还受酪氨酸的调控，酪氨酸被磷酸化。"守门员"苏氨酸、"DFG基序"和几个氢键氨基酸（此处未显示）参与了与伊马替尼的特异性相互作用，有助于提高药物选择性。然而，伊马替尼并非完全具有选择性，但幸运的是，在某些情况下可以利用这一点。伊马替尼还可以抑制c-Kit（PDB条目1t46），这是一种导致胃肠道间质瘤（gastrointestinal stromal tumor，GIST）的癌症蛋白酪氨酸激酶。伊马替尼对这两种激酶都起作用。点击图表下方的按钮，切换到互动图片，更详细地了解这些结构。

进一步的讨论议题

  1. 如需进一步了解激酶和调控结构域，请参阅RCSB PDB注释可视化网站3D蛋白质结构视图。
  2. 伊马替尼对某些构象的激酶产生作用，包括脾脏酪氨酸激酶（spleen tyrosine kinase，Syk），该激酶参与造血细胞中免疫受体的信号传导。伊马替尼以一种异常紧凑的U形构象抑制Syk，如PDB条目1xbb所示。

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本文是由RCSB PDB的PDB-101提供的《当月的分子》2023年7月的文章的中文翻译。请参考我们的条款和条件页面。

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