肿瘤潜在新靶标:CDK12

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作者:精准药物
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CDK12(cyclin-dependent kinases 12,周期蛋白依赖性激酶12)编码基因位于17号常染色体上,编码1490个氨基酸,蛋白分子量为164 kDa,主要结构包括富含脯氨酸的锚定结构(proline-rich motifs, PRM)和富含精氨酸/丝氨酸的锚定结构(arginine/serine rich motifs, RS)以及具有催化功能的激酶结构域(kinase domain)。

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CDK12的结构

激酶结构域位于蛋白质的中心部分,约为300个氨基酸,负责底物的磷酸化。催化激酶结构域与其他CDK的结构相似,显示出标准的双叶折叠,包括一个高度疏水的N端lobe(β1-β5)和包含α螺旋束的C端lobe(下图)。位于N端lobe的α-C螺旋是由一个特征性的PITAIRE基序形成,因此CDK12也被称为“ PITAIRE” CDK。

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CDK12与ATP的复合物晶体结构(PDB:4NST)

与细胞周期相关的CDK成员(CDK 1-6)不同,CDK12的C末端lobe的尾部延伸至HE基序(HE motif)和多元簇(polybasiccluster)。转录调控CDK成员(包括CDK7和CDK8)具有C端延伸部分,但因为它们在延伸过程中不起作用,因而不具有多碱基区域。但是CDK12中的C端延伸区位于活性位点附近,因此,CDK12蛋白结构上的差异为设计具有高特异性的抑制剂提供了理论依据。

CDK12与肿瘤

细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)是催化丝氨酸/苏氨酸磷酸化的蛋白激酶家族,目前已经发现21种不同的CDK,根据具体功能差异可分为两类:一类为调控细胞周期相关的CDK,包括CDK 1,2,4,6和7,另一类为调控RNA转录相关的CDK,包括CDK 7,8,9,11,12和13。

目前已知CDK12有三种主要功能:(1)CDK12磷酸化RNA聚合酶PoLⅡ,促进转录的延伸;(2)CDK12与RNA加工因子相互作用,调控剪接;(3)介导伴转录的RNA聚合酶Ⅱ磷酸化和mRNA 3’端加工,调节内含子的多聚腺苷化。
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研究表明,敲除CDK12基因会导致其下游基因的表达沉默,包括对细胞具有重要意义的DNA损伤修复基因,比如BRCA1,ATR,FANCI和FANCD2,形成类似于“DNA损伤修复基因缺陷”的状态,导致细胞对引起DNA损伤的外在条件更为敏感。同时CDK12通过定位在核散斑体(nuclear speckles)和pre-mRNA剪切体上,调节外显子的剪接。

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整体而言,CDK12主要通过调控基因组转录与表达,参与DNA损伤应答或压力应答。
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CDK12的三种已知功能[2] (A)促进转录的延伸;(B)调控剪接;(C)介导转录和mRNA 3’端加工

CDK12基因突变在肿瘤中的分布CDK12可以调节DNA损伤修复基因在内的基因转录,当CDK12蛋白功能失活时,DNA损伤修复基因表达缺陷,易引起基因组不稳定,导致肿瘤的发生与发展。通过对TCGA数据库数据分析发现CDK12基因在各癌种中均有一定频率的突变,突变频率较高的癌种包括食管癌、子宫内膜癌和膀胱癌,突变频率在10%~15%之间。另外在胃癌、结直肠癌、胰腺癌和高级别浆液性卵巢癌中也发现较高频率的CDK12基因突变。
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TCGA数据中泌尿肿瘤、妇科肿瘤和肠道肿瘤的CDK12基因突变频率
目前对于CDK12与肿瘤发生的具体机制并不完全明确,通过对肿瘤CDK12的热点突变分析发现,最常见的CDK12移码突变或点突变多发生于激酶结构域(2/3突变),这提示大多数的突变可能引起CDK12的激酶活性丧失,降低BRCA1和BRCA2等DNA损伤修复基因的表达,破坏同源重组修复过程[3]。
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CDK12结构及卵巢癌肿瘤细胞中发现的突变类型

CDK12抑制剂

近年来,研究人员致力于寻找高效和高选择性的CDK12抑制剂,但目前还没有选择性的CDK12候选药物进入临床试验。

Dinaciclib:

处于临床研究的泛CDK抑制剂Dinaciclib,具有抑制CDK12的作用。它显示出对CDK12的有效抑制活性(IC50= 0.050 μM),但也抑制了CDK 1、2、7和9。研究表明,Dinaciclib的2-(2-哌啶基)乙醇部分通过与CDK9蛋白核糖口袋形成非共价相互作用而具有较高活性。

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上图Dinaciclib与CDK9的结合模式;下图为Dinaciclib与CDK12的结合模式(图片来自原文)
THZ531:
早期研究表明,THZ1是一种具有丙烯酰胺亲电弹头的CDK7抑制剂,该亲电弹头可与CDK7的C端延伸中的Cys312形成不可逆的共价键。在比较20个CDK成员的序列时发现了CDK12和CDK13在此相近位置也具有半胱氨酸,表明THZ1也可以作为CDK 12和13抑制剂。
当用苯基(1-哌啶基)甲酮部分取代THZ1中的N-苯基苯甲酰胺可得到THZ531,它几乎消除了对于CDK 7和9的激酶活性,而分别以0.158和0.069 μM的IC50抑制CDK12和13的活性。THZ531中的哌啶部分是驱动改变丙烯酰胺弹头构象的关键因素,使其与CDK12的Cys1039结合并显示出选择性。

总结与展望

CDK12是一种未来可期的癌症治疗靶标,在癌症发展中具有特定的背景作用,因此提供了一种低毒性的治疗方法。但是,目前对CDK12生物学功能的理解被CDK12同源的CDK13所阻碍。CDK13在激酶结构域中与CDK12具有92%的同源性,这导致实现CDK12和CDK13之间的选择性几乎是不可能的。
尽管如此,候选药物分子强调了靶向CDK12的铰链区,DFG基序和C末端延伸区,这对于设计高活性和高选择性的CDK12抑制剂是的可行性。虽然开发高度特异性的CDK12抑制剂将会面临诸多困难,但是高度特异性的抑制剂能够更好的探索CDK12作为药物靶标的作用以及CDK12的生物学活性,同时可以为患者提供更优的选择。(根据公开信息整理)
参考文献
[1]Fatemeh Emadi, Theodosia Teo, Muhammed H. CDK12: a potential therapeutic target in cancer.Drug Discovery Today.2020. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2020.09.035
[2] Lui GYL, Grandori C, Kemp CJ CDK12: an emerging therapeutic target for cancer. Journal of Clinical Pathology 2018;71: 957-962.[3] Ovarian cancer-associated mutations disable catalytic activity of CDK12, a kinase that promotes homologous recombination repair and resistance to cisplatin and poly(ADP- ribose) polymerase inhibitors. J Biol Chem 2014; 289(13): 9247– 9253. doi: 10.1074/ jbc.M114.551143.[4] Quereda V, Bayle S, Vena F, et al. Therapeutic targeting of CDK12/CDK13 in triple-negative breast cancer[J]. Cancer cell, 2019, 36(5): 545-558. e7.[5] Bajrami I, Frankum J R, Konde A, et al. Genome-wide profiling of genetic synthetic lethality identifies CDK12 as a novel determinant of PARP1/2 inhibitor sensitivity[J]. Cancer research, 2014, 74(1): 287-297.[6] Wu Y M, Cieślik M, Lonigro R J, et al. Inactivation of CDK12 delineates a distinct immunogenic class of advanced prostate cancer[J]. Cell, 2018, 173(7): 1770-1782. e14.[7] Reimers M A, Yip S M, Zhang L, et al. Clinical Outcomes in Cyclin-dependent Kinase 12 Mutant Advanced Prostate Cancer[J]. European urology, 2020, 77(3): 333-341.[8] Joshi PM, Sutor SL, Huntoon CJ et al. Ovarian cancer-associated mutations disable catalytic activity of CDK12, a kinase that promotes homologous recombination repair and resistance to cisplatin and poly(ADP- ribose) polymerase inhibitors. J Biol Chem 2014; 289(13): 9247– 9253. doi: 10.1074/ jbc.M114.551143.
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