我怎么也没想到，古老的砒霜会在21世纪与最强抑癌蛋白相遇

万万没想到，古砒霜会遇到21世纪最强的抑癌蛋白p53点突变试剂盒，也成为恢复突变p53抑癌能力的最强“潜力股”。

近日，上海交通大学瑞金医院陆敏和牛津大学陆昕领衔的研究团队发现，砷中的砷原子（三氧化二砷，ATO）可以插入到p53蛋白的DNA结合域，该蛋白结构发生突变。并且不能正常折叠。突变的p53蛋白折叠成具有抑癌功能的三级结构[1]。

更重要的是，这一研究成果一举解决了困扰p53靶向药物研发的两大科学难题：没有逻辑，没有口袋。

换言之，卢敏等人的研究成果。已经证实“通过靶向药物恢复突变蛋白活性”这一一直被认为缺乏逻辑支持的想法在p53蛋白上是可行的；p53 蛋白确实隐藏了一个未知的砷原子结合袋。

总的来说，这是肿瘤抑制蛋白p53靶向治疗40年来取得的重大突破，靶向治疗或将迎来新一轮爆发。基于本研究成果的相关临床研究（PANDA-T0；NCT03855371））也在瑞金医院的主持下开展[2]。

相关研究成果发表在著名期刊Cancer Cell上。陆敏、陆昕为共同通讯作者，陈硕、吴家乐、梁颖、唐一刚为共同第一作者。

本研究论文截图

小分子靶向治疗药物的诞生改写了许多癌症治疗范式。

然而，获批临床治疗的靶向药物覆盖的患者并不多。这部分受到靶向药物开发策略的影响。

我们都知道，人体内有原癌基因和抑癌基因。原癌基因的突变编码癌蛋白并诱发癌症；而肿瘤抑制基因的突变会导致肿瘤抑制蛋白失去抑制癌症形成和发展的能力。因此，理论上，消除癌蛋白和恢复抑癌蛋白活性都可以用于癌症的治疗。

然而，事情并没有那么简单。

由各种激酶代表的癌蛋白具有 ATP 结合口袋。只要开发出能够占据或阻止ATP进入的相关药物，就可以抑制癌蛋白的促癌活性。

对于因突变而失活的抑癌蛋白，研发药物的思路恰恰相反：恢复抑癌蛋白的活性。此次抢救工作的难度，从临床获批的药物中可见一斑。临床使用的癌蛋白靶向药物有100多种，肿瘤抑制蛋白靶向药物的数据为0。

这背后的主要原因是：第一，恢复蛋白质功能在逻辑上是极难实现的；其次，肿瘤抑制蛋白缺乏小分子药物结合的口袋。

尽管肿瘤抑制蛋白靶向药物的研发难度极大，但依然挡不住科学家们的热情。以 p53 为例，它是一种肿瘤抑制蛋白，在全球约 50% 的癌症患者中发生突变。这意味着，理论上只有p53靶向药物可用于治疗全球约50%的癌症患者，目前已有100多种靶向抗癌药物一起获批用于临床治疗。它也仅用于治疗 2-13% 的癌症患者 [3, 4]。

p53突变比例

正是由于这个原因，p53 成为迄今为止研究最多的蛋白质 [5]。

科学家们的努力并没有白费。

我们现在知道 393 个氨基酸的肿瘤抑制蛋白 p53 包括三个结构域：激活转录的 N 端结构域；帮助 p53 定位的 C 端结构域；和中间的 DNA 结合域 (DBD) [6]。

p53的突变类型多种多样，包括基因片段缺失、插入、点突变引起的错义突变等，但在所有突变类型中，点突变引起的错义突变占主导地位，占比高达80%[6]。更重要的是，97% 的点突变发生在 DNA 结合域 [6]。

从结构上看，上述点突变影响 p53 与 DNA 相互作用的机制可分为两类 [7, 8]：一些 p53 突变（如突变热点 Arg248 和 Arg273 处的突变）导致 p53 不能接触DNA；而许多剩余的突变，称为结构突变（例如热点 Arg175、Gly245、Arg249 和 Arg282）会损害 p53 的 DNA 结合域 (DBD) 结构，导致在 p53 中不能正常折叠，不能与 DNA 紧密结合，因此失去了抑癌能力。

不难看出，p53突变不仅主要分布在DBD区域，而且异质性非常强

事实上，在过去的几十年里，科学家们发现了许多具有挽救 p53 突变潜力的先导化合物 [9, 10]，但这些化合物在恢复 p53 功能方面的效率相对较低。

尽管如此，陆敏和他的同事还是仔细研究了这些化合物的性质。他们注意到这些化合物的一个有趣特征点突变试剂盒，就是结合半胱氨酸硫醇基团的能力[9, 11]。

基于此，他们进一步假设当 p53 的 DNA 结合域被结构突变破坏时，那些能够结合多个半胱氨酸的化合物可能会稳定 p53 并恢复 p53 的肿瘤抑制活性。他们还推测，这种方法可能会导致发现拯救 p53 结构突变的通用化合物，这些突变加起来占所有 p53 突变的一半以上。

假设候选化合物的可能结合位点

带着上述假设，陆敏团队开始筛选可以与两个或多个半胱氨酸结合的小分子。最后，通过对 5 个具有 p53 结构热点突变（R175H 等）的细胞系的实验，从 DTP 数据库 [12] 中的 20,861 个小分子中筛选出 4 个化合物。

筛选出 4 个化合物结构

使用优先识别折叠的 p53 蛋白的抗体 PAb1620，研究人员发现砷和 KAsO2 对具有 R175H 结构突变的 p53 蛋白的折叠具有惊人的影响。简单地说，砷可以恢复R175H结构突变的p53蛋白的抑癌活性。其他两种化合物的活性要弱得多。

研究人员随后用四种不同的 p53 结构突变细胞系测试了砷的作用，发现当用 PAb1620 抗体检测时，它达到了野生 p53 蛋白的水平。

剂量研究表明，低至 0.1 μg/mL 的砷足以在给药后 15 分钟促进结构突变的 p53 蛋白的正确折叠。

总体而言，研究人员通过多阶段筛选研究确定了含砷化合物可有效重新激活最常见的 p53 结构突变体。

随后的研究发现，砷通过共价结合稳定了结构突变的 p53 折叠。与之前发现的化合物以及本研究中发现的其他化合物相比，砷比其他化合物稳定得多。

砷与其他化合物共价键的比较

为了解砷恢复结构突变p53的机制，陆敏团队10余人耗时近6年完成p53-砷共晶结构分析，阐明了p53功能重新激活的机制[13] ]。总体而言，p53-砷复合物与已发表的 p53 DBD 结构很好地重叠。

具体而言，砷与 DNA 结合域的 Cys124、Cys135 和 Cys141 相互作用，而 Met133 的侧链面对砷并与砷原子发生范德华相互作用。正是 DNA 结合域中的这四个氨基酸残基构建了一个可以与砷原子结合的口袋。

砷结合袋概述

由于 p53 本质上是一种转录因子，因此测试结构突变 p53 功能恢复的方法之一是检测转录激活。结果表明，砷在所有携带结构突变的 p53 的测试细胞系中介导转录重新激活，但对于影响 p53 与 DNA 接触的突变类型不介导。

在这种情况下，砷的抗癌作用是什么？

陆敏团队随后探索了砷在CDX和PDX小鼠模型中的抗癌作用。砷以 5 mg/kg 的剂量给药，导致在接受砷治疗的急性早幼粒细胞白血病 (APL) 患者的小鼠中，可达到 0.05-0.2 μg/mL 的砷血浆浓度无严重毒性 [14, 15]。

对血液肿瘤的研究表明，砷显着延长了小鼠的中位生存时间，而对实体瘤的研究也表明，小鼠的肿瘤体积仅为对照组的 10% 左右。

上述研究表明，砷确实具有很强的抑癌作用。

血癌（上）和实体瘤（下）发现

并且与一线化疗药物顺铂相比，砷对非小细胞肺癌的抑制作用与顺铂相似。

对背后作用机制的分析表明，在砷治疗的 PDX 肿瘤中检测到 p21 的上调，但在顺铂治疗的 PDX 肿瘤中未检测到。

相比之下，与对照组相比，顺铂治疗的肿瘤中 DNA 损伤标志物的表达更强，但砷治疗的肿瘤中没有。

这也意味着顺铂和砷的抗癌机制不同，砷至少部分通过重新激活结构突变的 p53 蛋白来对抗癌症。

顺铂 (CIS) 和砷 (ATO) 的比较

在研究的最后，陆敏团队成员讨论了另一个重要问题：砷的应用范围有多大。

因此，他们挑选了 25 个最常见的 p53 突变，所有这些突变都位于 DNA 结合域，占癌症 p53 错义突变的 40.87%。其中，18 个是结构突变，另外 7 个是 DNA 接触突变。

25 个突变的分布

总体而言，大多数结构突变的 p53 被砷拯救，但程度不同。DNA 接触突变 p53 没有被砷拯救。

随后的细胞系研究也证实，砷对 p53 结构突变的癌细胞系表现出显着更高的杀伤力。

不同类型砷突变细胞系的研究

总体而言，Min Lu 团队的研究非常系统，并确定了砷恢复结构突变 p53 的肿瘤抑制功能的潜力。这项研究还一举解决了困扰p53靶向药物研发的两大科学难题，证明靶向抑癌蛋白确实有其逻辑，小分子化合物有结合的口袋。

本研究主要内容总结

由于中国科学家已将砷开发为治疗APL的药物，因此将其开发为p53突变癌症的治疗药物已有大量临床经验，这无疑将加速其临床开发。好消息是相关的临床研究已经开展。

更重要的是，本研究提出了抑癌蛋白靶向治疗的思路，或将开启靶向治疗的新纪元。