激酶基因家族中的突变是导致多种疾病的基础。特定激酶突变所表现出的组织和器官特异性可以为早期胚胎发育中的器官生成或系统发育提供线索。在氨基酸和蛋白质结构域中识别关键的突变位点，以及单个激酶基因中不同表型的范围，为各种遗传性疾病和癌症的临床研究提供了深入了解。

本篇文章将为您解读来自Piya Lahiry研究团队，题为“Kinase mutations in human disease: interpreting genotype–phenotype relationships”的综述，以及来自Helgi B. Schiöth研究团队，题为“Trends in kinase drug discovery: targets, indications and inhibitor design”的综述，文章重点概述了激酶结构和功能，并根据器官受累情况，按照表型分类整理了不同的遗传性激酶疾病，另外回顾了体细胞激酶基因突变和各类疾病之间的关系，以及当前激酶药物开发的研究进展。

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劲帆生物医药科技（武汉）有限公司，致力于为全球学术界、制药公司和生物技术企业的科学家提供临床前一站式激酶靶点开发及药物筛选研究服务。劲帆生物拥有全球领先的One-Bac 4.0规模化蛋白制备专利技术平台，工艺开发及cGMP级蛋白生产平台。团队现已开发出超过200种高生物活性激酶及相关蛋白突变体，也可提供定制化激酶表达服务，并提供一系列体外、体内酶活检测服务。围绕这一关键酶家族开展科学探索，推动药物发现、疾病治疗，守护人类健康福祉。

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一、激酶的结构与功能

大多数激酶含有一个保守的催化结构域，该催化结构域将ATP中的磷酸基团转移到靶向蛋白质上。这种磷酸化可以调节酶的活性或影响激酶与蛋白质的相互作用，进而调控下游反应。而调节结构域则位于激酶催化结构域内或域外，既有助于激酶的定位，也有助于激酶对各种刺激作出反应以调节其活性（图1）。激酶主要分为两大类：酪氨酸激酶（TKs）和丝氨酸-苏氨酸激酶（STKs），它们分别在底物上磷酸化酪氨酸和丝氨酸或苏氨酸残基。蛋白质激酶的催化结构域由250-300个氨基酸组成，包含12个保守的子域，这些子域折叠成一个共同的催化核心结构。催化结构域的氨基末端（N-端）含有一个富含甘氨酸的残基序列（GxGxxG），这对ATP结合和磷酸基团转移至关重要。相比之下，催化结构域的C-端参与底物结合，而该结构域的N-端含有一个保守的天冬氨酸，这对酶的催化活性很重要。

 

图1 蛋白激酶的一般催化结构域

（图片来源：Lahiry P, et al, Nat Rev Genet, 2010）

根据催化结构域的序列和结构，人类激酶家族可以分为七个主要组别，包括TK、TKL、STE、CK1、AGC、CAMKs以及CMGC亚组。其中CMGC亚组既包含控制所有真核生物界细胞生长过程中的丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs），也包含一些了解较少的激酶，如肠细胞激酶（ICK）。由于激酶在生物进化过程中保持了相对稳定的结构和功能，因此它们对变异的抵抗能力很强，以至于任何导致激酶活性异常激活或抑制的变异都会造成严重的表型影响。然而，激酶亚组与疾病易感性之间并没有明显的关系。

二、激酶胚系突变引起的人类疾病

研究人员收集了人类中67种激酶相关的遗传性疾病的表型和基因型数据（表1）。调查发现，这些疾病相关的激酶中约有一半是TKs。在915个与疾病相关的突变中，77%是错义突变，19%是无义突变，4%与可变剪接相关。超过80%的突变直接影响或包含了相应激酶基因的催化结构域。激酶突变几乎影响所有器官系统，尽管许多疾病涉及多个组织，但大多数激酶相关疾病可以根据主要的器官受累情况进行分类。

表1 遗传性激酶疾病

（图片来源：Lahiry P, et al, Nat Rev Genet, 2010）

 

 

神经系统疾病

常染色体隐性激酶突变是各种神经系统疾病的主要原因，范围从退行性和脑病性障碍到癫痫、肌无力和共济失调等。例如，致死性先天性挛缩综合征2型（lCCS2）是一种常染色体隐性神经退行性疾病，其特征是前角神经元退化和关节挛缩。lCCS2由ERBB3中的功能缺失性剪接突变引起，ERBB3编码表皮生长因子受体（EGFR）家族TKs中的一个成员。另外，编码STK蛋白激酶Cγ的PRKCG中有18种不同的错义突变，导致常染色体显性神经退行性疾病脊髓小脑共济失调14型。PRKCG需要钙和二酰甘油激活后才能磷酸化多个信号蛋白靶标，而PRKCG缺乏会导致啮齿类动物的学习缺陷。大多数其他神经激酶疾病由纯合子功能缺失性突变引起，这表明这些疾病源于受损信号网络的适应失败，而非信号增强所引起。

骨骼和颅缝早闭症

影响骨骼的激酶疾病通常由TKs的常染色体显性功能获得性突变引起。例如，影响成纤维细胞生长因子受体（FGFR）家族的功能获得性突变是几种发育不良症的基础，这些发育不良症的特点是婴儿时期颅骨缝的过早融合。成纤维细胞生长因子（FGFs）与其受体的结合通常会激活FGFR的TK结构域；随后是下游信号的磷酸化，包括RAS（一种小GTPase）和MAPK级联的激活，最终诱导有丝分裂和分化。与TK突变不同，STK突变似乎更普遍地影响骨骼发育。例如，ACVR1（激活素A受体1型）的错义突变与进行性骨化性纤维发育不良（fibrodysplasia ossificans progressiva）有关，该病的特点是广泛的骨化，并且在小鼠模型中具有同源表型。激活素是转化生长因子（TGF）-β超家族中的生长和分化因子。影响骨骼表型的基因范围广泛以及胚系激酶突变的普遍性，进一步强调了激酶在骨骼发育和分化中的重要作用。

血液和血管疾病

尽管只有少数胚系突变会导致血液疾病（表1），但在一些白血病和骨髓增殖性疾病中发现的体细胞突变，包括大的染色体重排和基因融合事件，为激酶基因突变在人类疾病中的重要性作用提供了早期证据。这种重排的典型例子是B细胞受体（BCR）–ABL融合基因，它是慢性髓系白血病（CML）和急性淋巴细胞白血病的基础。其他涉及激酶的融合基因导致白血病的发现证明了更普遍的关联，并推动了使用如伊马替尼等TK抑制剂作为CML治疗方法的发展。有趣的是，患者对伊马替尼的反应受其BCR–ABL基因型的影响。另一个激酶融合基因的例子是体细胞BCR–FGFR1融合基因，它偶尔出现在CML患者中。涉及Janus激酶基因JAK2、ETV6和中心粒外周物质1（PCM1）的体细胞融合事件也与白血病相关，并且在大多数真性红细胞增多症患者中发现JAK2的体细胞错义突变（V617F）。最近有报道称JAK2胚系突变会影响原发性骨髓纤维化的疾病易感性，且这种影响与V617F突变状态无关。胚系激酶突变还可能影响心脏和血管。例如，编码STK骨形态发生蛋白受体2型（BMPR2）的基因中有近30种突变与常染色体显性原发性肺动脉高压相关，这表明BMPR2通过与c-SRC的相互作用参与了肺血管的发育。此外，突变型BMPR2对乳腺癌细胞具有抑制作用，这表明它可能作为潜在的抗癌治疗药物。

免疫系统疾病

常染色体显性和隐性突变都会影响某些激酶在免疫系统的正常功能。例如，X连锁无丙种球蛋白血症是一种由于无法产生成熟的B淋巴细胞而导致的严重免疫缺陷。在编码B细胞发育关键调节因子的布鲁顿酪氨酸激酶（BTK）中，已报告了约150种（大多为错义）突变。BTK与参与B淋巴细胞信号传导途径的TKs相互作用，而位于激酶结构域之外的BTK突变的小鼠无法正常产生B细胞。此外，IKBKG基因中的错义突变是两种X连锁疾病——色素失禁症和伴有免疫缺陷的少汗性外胚层发育不良的发病基础，这表明这种STK在T细胞和B细胞功能中都非常重要。

内分泌与代谢疾病

内分泌与代谢激酶疾病主要由大量的常染色体显性突变引起，这表明了基因多效性的存在。例如，FGFR1在骨骼发育中至关重要，同时在性腺发育和生殖过程中也发挥着作用（图2a），FGFR1中的功能丧失性突变与低促性腺激素性性腺功能减退症有关。此外，AKT2的突变也会导致问题，AKT2编码一种普遍存在的STK，在激活胰岛素受体方面具有关键的下游调控功能。AKT2的突变会导致常染色体显性胰岛素抵抗，进而引发2型糖尿病、代谢性血脂异常、脂肪营养不良和肝脂肪变性。这些发现，以及小鼠中Akt2敲除的佐证证据，均表明AKT信号在胰岛素敏感性中起着核心作用。

多器官疾病

涉及多个器官的疾病可能表明单个激酶在多种组织发育中扮演重要角色。卡尼（Carney）综合征中PRKAR1A的突变显示了该基因在心脏、内分泌、皮肤和神经元组织中的重要性（图2b）。此外，RPS6KA3在科芬-劳里（Coffin lowry）综合征中的作用表明其在骨骼、生长和认知发育中的关键作用。在其他STK中，ICK与内分泌-脑-骨发育不良有关，这是一种多器官新生儿致死性疾病（图2b）。尽管ICK在多种组织中具有发育作用，可能是在胚胎生殖层广泛分化之前的早期发育阶段，但其信号通路以及与其他蛋白质的直接相互作用尚未完全阐明。

 

图2 遗传多效性示意图

（图片来源：Lahiry P, et al, Nat Rev Genet, 2010）

 

三、癌症中的胚系突变和体细胞突变

蛋白激酶是导致恶性肿瘤发生的最常突变的基因家族，与随机选择相同数量的基因相比，其突变频率大约高出四倍。大多数蛋白激酶的突变是通过定位克隆方法鉴定的，因此确认偏倚无法完全解释它们在癌症基因中的过度表达。

激酶作为肿瘤抑制因子或原癌基因

在正常、健康的细胞中，蛋白激酶可能作为肿瘤抑制因子或原癌基因发挥作用。因此，蛋白激酶中的突变可能通过多种机制导致肿瘤发生，包括增殖途径的激活、基因组不稳定性、DNA损伤反应的减少、凋亡途径的失活和/或血管生成和细胞运动性的促进。表2提供了因体细胞突变导致癌症的激酶示例，主要来自癌症体细胞突变目录（COSMIC）数据库。研究发现，许多癌症是由于体细胞突变导致的，并且大多数激酶是原癌基因，这些原癌基因发生了导致癌症的体细胞突变。也有一些癌症是由原癌基因和肿瘤抑制基因中的胚系突变共同引起的（表1）。由激酶原癌基因中的胚系突变导致的癌症，包括RET（在转染过程中重排的基因）突变导致的多发性内分泌肿瘤2型、甲状腺癌、嗜铬细胞瘤，血小板衍生生长因子受体α（PDGFRA）突变导致的遗传性胃肠道间质瘤，以及CHEK2突变导致的李-法美尼（Li–Fraumeni）综合征。

表2 在诱导突变动物模型中选择与癌症相关的激酶及其影响

（图片来源：Lahiry P, et al, Nat Rev Genet, 2010）

 

 

结构与功能关系

神经母细胞瘤是一种致命性的儿童癌症，患者生存率很低。在神经母细胞瘤患者中已发现间变性淋巴瘤受体酪氨酸激酶（ALK）的胚系突变和体细胞突变。研究人员根据ALK蛋白结构上已鉴定出的各种突变分布情况，推断出大多数突变可能是激活性的。体外细胞生长试验证实了激活性突变的生长优势，即在包含ALK扩增或ALK突变的细胞系中，当使用siRNA降低ALK表达水平时，细胞生长减缓。特定激酶介导的恶性肿瘤已被广泛研究，确定出相关激酶的功能作用和组织特异性。例如，基于FLT3的主要恶性肿瘤是急性淋巴细胞白血病（ALL），这与FLT3存在于正常造血细胞中相关。因此，特定的癌症表型为洞察突变或受干扰的蛋白激酶所调节的生物功能提供了研究方向。此外，研究特定形式癌症中的蛋白激酶可以揭示潜在的病理机制。例如，位于内皮细胞的TEK已被发现会导致乳腺癌、卵巢癌和肾癌，这种对激酶定位模式的深入了解有助于更好的诊断和治疗。

四、激酶药物（激酶抑制剂）发展史

自1995年Fasudil（法舒地尔）获批以来，全球获批的激酶抑制剂数量已增至98种，其中71种为小分子激酶抑制剂（SMKIs），并均已获得美国FDA的批准（相关论文发表于2021年，因此数据与现在有所出入。目前获批的SMKIs已超过100种，其中获FDA批准的约80种）。值得注意的是，在过去5年中，获批的SMKIs数量已翻了一番多，共有37种获得FDA批准，并且从2016年到2021年，SMKIs约占FDA批准的所有新药总数的15%。此外，还有10种靶向受体酪氨酸激酶（RTKs）的单克隆抗体（mAbs）也获得了FDA的批准。另有16种SMKIs和1种mAb已获得其他监管机构的批准（图3）。

 

图3 获批的激酶抑制剂时间表

（图片来源：Attwood MM, et al, Nat Rev Drug Discov, 2021）

71种经FDA获批的SMKIs主要针对21个激酶家族，这些激酶家族约占激酶组的20%。具体而言，这71种SMKIs主要抑制约42种蛋白质，其中大多数(49个SMKIs)主要靶向TK组中15个激酶家族成员中的30种蛋白质(图4)。尽管TK组是最受青睐的激酶组，但仅有大约30%的TK组被靶向，这表明仍有很大的进一步探索空间。RTKs组中HER激酶家族（HER1–4）是最具针对性的，有8种SMKIs和8种mAbs（均经FDA批准）靶向该类蛋白质。RTKs中的血管内皮生长因子受体（VEGFR）家族也受到广泛研究，有7种SMKIs和1种mAb（均经FDA批准）靶向该类蛋白，这些SMKIs均属于非选择性抑制剂，也会与其他RTKs相互作用。抑制Janus激酶（JAKs）是另一种较为常见的治疗策略，迄今为止，FDA已批准了五种靶向该激酶家族的SMKIs。

 

图4 经FDA批准的激酶抑制剂所靶向的人类激酶组

（图片来源：Attwood MM, et al, Nat Rev Drug Discov, 2021）

总结

通过深入研究激酶的结构和功能，以及它们在不同疾病中的突变情况，揭示出这些疾病的分子机制，为疾病的诊断和治疗提供了充实的理论依据。基于激酶突变的基因型-表型关系研究，帮助医生为患者提供更加精准的治疗方案，提高治疗效果并减少副作用。激酶作为药物开发的重要靶点，涉及生物化学、分子生物学、遗传学、药理学等多个学科领域，未来研究人员更应交叉融合、协同创新，加强跨学科合作，进一步推动激酶研究进展，也为其他复杂疾病的研究提供有益的借鉴和启示。