MAPK / ERK通路概述

促分裂素原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路是真核生物信号传递网络中的重要途径之一，是细胞增殖、分化、细胞凋亡以及正常条件和病理条件下应激反应的关键信号通路。、

MAPK主要有4个亚族，对应4条MAPK通路：ERK、p38、JNK、BMK1（ERK5）。本系列将主要介绍第一条由生长因子介导的ERK通路的赛道情况，涵盖蛋白RAS、Raf、MEK和ERK，其中任何一个蛋白的异常都有可能诱导肿瘤的发生和增殖，故皆已成为各类创新药靶向的热门靶标。

作为此系列的最后一篇，总结下MAPK / ERK通路的激活过程：

受上游生长因子受体（EGFR、TGF-α）激活所介导，MAPK/ERK通路的激活从RAS开始。通过鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）催化RAS蛋白与三磷酸鸟苷（GTP）的结合，使RAS处于激活状态。激活状态下的RAS蛋白招募下游位于细胞质中的RAF蛋白并与其位于N端的CR1结构域结合，将RAF蛋白转运至细胞膜使其激活。激活状态下的RAF进一步通过其位于C端的CR3结构域与下游MEK交互，进而激活MEK。活化的MEK再通过与ERK的相互作用，激活ERK中的酪氨酸（Tyr） 和 苏氨酸（Thr） 残基，从而激活下游ERK。

ERK的负反馈机制

细胞外调节蛋白激酶（ERK）有5个亚族，包括ERK1~5。其作为MAPK/ERK信号通路的最后一环，是将信号从表面受体传导至细胞核的关键。ERK作为唯一激活位点直接参与对下游大量基质的激活，进而通过调控所转录出的各类蛋白来诱导调节细胞的增殖、分化与凋亡。

在正常的通路机制下，ERK的激活具有负向调控MAPK/ERK通路的机制来维持机体自平衡的功能。该负反馈机制的实现由两个途径实现：对ERK上游成分（EGFR、RAS、RAF、MEK）特定位点的直接磷酸化，以及诱导通路内特定抑制因子（DUSP、Sprouty）的重新合成。

图片来源：《Negative feedback regulation of the ERK1/2 MAPK pathway》

对ERK上游成分的直接磷酸化

图表 1：受负反馈机制直接调控的ERK上游成分

来源：PhosphoSite，来觅数据整理

EGFR

几乎所有的ERK上游成分都受负反馈机制直接调控。以EGFR蛋白为例，作为结构为1220个密码子的蛋白，大量研究表明受不同因子、激酶所磷酸化、泛素化、乙酰化的不同EGFR位点对其本身以及下游的传导作用都是不一样的。

从诱发蛋白活性的角度来看，生长因子如EGF对EGFR 869位点（酪氨酸）、1092位点（酪氨酸）的磷酸化同样可以诱导EGFR蛋白活性的提升。从抑制蛋白活性的角度来看，ERK1/2激酶对EGFR 692位点（丝氨酸）的磷酸化，以及CDK1激酶对1026位点（丝氨酸）的磷酸化会抑制EGFR蛋白的活性。

已有相关研究表明依赖于ERK1/2所磷酸化的EGFR 669位点（苏氨酸）会降低EGFR酪氨酸磷酸化水平，表明T669点位的磷酸化可以下调EGFR的信号。除此之外，有相关研究表示ERK 1/2会通过酪氨酸磷酸酶CDC25C来间接使EGFR去磷酸化，背后的机制为ERK1/2通过CDC25C的48位点（苏氨酸）激活CDC25C，CDC25C随后会通过EGFR的1068位点（酪氨酸）使EGFR去磷酸化，从而达到负反馈机制的传导。

RAS

此前我们提到过RAS受SOS介导激活。在正常生理机制下，由上游生长因子所介导的RAS蛋白激活通常是短暂的，从而可以保证细胞增殖分化以及凋亡的正常循环，而ERK1/2对RAS上游连接蛋白、交换因子的调控对保持该正向循环的运作发挥重要的作用。

以交换因子SOS1为例，作为结构为1333个密码子的蛋白，研究发现ERK2的激活可能会通过磷酸化SOS1的1132（丝氨酸）、1167（丝氨酸）、1178（丝氨酸）、1193（丝氨酸）、1197（丝氨酸）位点来调控分子缔合，干扰 SOS1 与连接蛋白 Grb2 的结合，从而使ERK负反馈机制通过SOS1达到对RAS的调控。

RAF

此前我们提到过RAS蛋白的激活受上游RAS调控，激活状态下的RAS通过招募下游位于细胞质中的RAF蛋白，RAS与其结合并将其转运至细胞膜处激活。

以CRAF（又名RAF-1）为例，ERK1对CRAF的负反馈机制主要是通过磷酸化289位点（丝氨酸）、296位点（丝氨酸）、301位点（丝氨酸）使CRAF蛋白脱敏，从而使其无法继续定位在细胞膜上，以及无法继续与活化的RAS结合。除此之外，哪怕其上游的RAS仍处于激活的状态，脱敏状态下的CRAF无法再次被其他的生长因子所激活。

对于结构为766个密码子的BRAF来说，ERK1/2对BRAF的负反馈除了同样会使BRAF中断与RAS的结合外（S151），对BRAF 151（丝氨酸）、401（苏氨酸）、753（苏氨酸）的磷酸化还会中断BRAF与CRAF的二聚作用，从而达到ERK1/2的负反馈调控机制。

MEK1/2

对于结构为392个密码子的MEK1，作为ERK1/2的直接上游，是唯一可以激活ERK1/2的蛋白，而ERK1/2的激活同样会反过来抑制MEK1蛋白的活性。从具体的负反馈机制来看，ERK1/2对于MEK1位点292（苏氨酸）的磷酸化会抑制MEK1的活性，并且通过抑制MEK1的同时达到对MEK2的调节作用。

诱导通路内特定抑制因子的重新合成

ERK1/2激活的负反馈机制除了可以对ERK上游各蛋白成分造成即时性的直接或间接抑制性磷酸化外，ERK1/2还可以通过转录诱导其下游各磷酸酶、抑制因子参与对ERK/MAPK通路的调控，该调控具有一定的延迟性。

在转录诱导的磷酸酶中，相关研究发现隶属于双特异性磷酸酶（DUSPs）族群中的双特异性MAPK磷酸酶（MKPs）对ERK1/2蛋白的活性有向下调节的影响。以DUSP6（MKP-3）为例，其负向反馈的实现机制主要为ERK1/2介导了对其反应性的转录因子ETS1与DUSP6基因启动子的结合，从而使DUSP6高表达激活从而去磷酸化ERK1/2，下调ERK1/2的活性水平。

除了磷酸酶外，科学家们同样发现由激活的ERK1/2介导活化的抑制因子Sprouty（Spry）可能可以对ERK1/2上游的RAS、RAF蛋白造成负向调节的作用。

ERK与肿瘤的发生

由上游成分活化所介导的下游ERK蛋白激活，会使其从细胞质转移入细胞核中，促进细胞质靶蛋白磷酸化或调节其他蛋白激酶的活性，然后进一步磷酸化下游底物，依托正反馈和负反馈机制调控如细胞增殖、分化、循环、凋亡等正常生物进程。

但当上游成分发生突变时，ERK蛋白的失调性持续激活会抑制ERK/MAPK通路的负反馈机制，持续的高表达ERK表达，持续的促进肿瘤细胞的生长、增殖，以及入侵和转移。

相关研究通过对比卵巢癌患者的ERK1/2以及MKPs的表达水平，发现卵巢癌患者，特别是处于第Ⅲ/Ⅳ期的卵巢组织MKP1表达水平显著低于处于第Ⅰ/Ⅱ期的患者，而同时ERK1/2的磷酸化水平则显著高于第Ⅰ/Ⅱ期的患者，两者负向的关联性可能表示ERK/MAPK通路正反馈和负反馈机制的失衡程度与肿瘤细胞进展的相关度呈正向关联。

ERK与肿瘤细胞生长与增殖

受ERK异常激活介导的肿瘤细胞生长与增长是一个复杂的过程，其中涉及大量的ERK下游基质，依赖于ERK激活的下游各基质可以磷酸化激活、转录出有利于肿瘤生长与增殖的各种酶和蛋白。

以血管内皮生长因子（VEGF）为例，所有细胞的生长，包括肿瘤细胞，都需要通过血管获取所需的营养，失去血管的同步生长，肿瘤组织的大小很难长超过2mm3 ，而异常激活的ERK/MAPK通路可以持续的转录出VEGF，使肿瘤细胞上VEGF高表达，促进血管的生成从而促进肿瘤的生长。

来源：《The ERK Signal Transduction Pathway》

ERK与肿瘤细胞的侵蚀和转移

肿瘤细胞的侵蚀和转移涉及三个阶段：对基底膜的粘附、对细胞外基质的降解，以及最终对靶细胞器官的转移。这个过程涉及多个信号通路的协调，其中ERK/MAPK信号通路在肿瘤的侵蚀和转移中起重要作用。

细胞外基质（ECM）是细胞分泌到细胞外间质中的大分子物质，由基底膜和细胞间质组成，是肿瘤细胞转移的重要屏障。肿瘤在生长到一定阶段的时候，肿瘤细胞会脱离原发肿瘤，粘附在基底膜上并开始具有侵蚀性，这个过程中肿瘤细胞会分泌各种降解酶类。其中，受ERK的磷酸化激活的基质金属蛋白酶（MMPs）会使细胞外基质（ECM）水解化，协助肿瘤细胞穿过ECM进入血管。除此之外，相关研究还发现ERK/MAPK通路的异常激活对细胞骨架的变形发挥了重要作用，通过细胞骨架的变形增强了肿瘤细胞的运动能力，提升其转移能力。

总的来说，肿瘤细胞会在周围的基质中浸润生长并进入循环系统，在其中尽管大多数细胞会被免疫系统杀死，但少数存活能力强的肿瘤细胞到达靶器官后将继续增殖，与原发肿瘤一样形成新的转移灶。

相关疗法

有趣的是，尽管ERK在整条通路中发挥着最为关键的作用，且它的发现从80年代末期至今已有30多年的时间，但相比于其上游的成分，针对ERK的抑制剂的开发在优先级程度来看却不在一个量级上。

从相关药物来看，全球范围内到目前为止没有一个靶向ERK的抑制剂获批上市，进展最快的项目也仅处于II期阶段，包括BioMed Valley Discoveries开发的优立替尼、礼来开发的LY3214996、诺华开发的LTT462。国内目前有四个厂商开启了海内外试验，相关ERK1/2抑制剂所处临床阶段多为I期。

图表 2：全球ERK1/2抑制剂相关临床试验进展情况

来源：Clinicaltrails.gov，CDE，来觅数据整理

ERK抑制剂在近年来获得越来越多关注的原因主要是由于ERK上游成分抑制剂诱导的耐药机制的陆续出现，以及ERK作为通路的最后一环直接对其下游各基质的诱导转录起到决定性的作用，直接阻断ERK可以通过通路中最为关键的点位抑制异常激活的通路信号。

除此之外，大量研究发现肿瘤患者通过EGFR、RAF、MEK抑制剂获得的通路抑制效应在通路再次激活的情况下会对相应的抑制剂产生耐药效应，通路再次激活的原因可能是由于个别通路成分的扩增、变异（如此前我们在BRAF中提到的一样，尽管具体的耐药获得机制仍需进一步探究），而ERK抑制剂与其上游成分抑制剂的联合用药可以克服该耐药问题。无论是对通路上游单一成分的靶向药耐药亦或是对上游多成分靶向药的耐药，研究发现将ERK抑制剂与其他成分抑制剂联用都有显著的抑制通路信号的疗效。

需要注意的是，针对ERK/MAPK通路成分的抑制剂在最终抑制ERK活性的同时，也会对由ERK激活介导的负反馈机制带来抑制的作用，而这结果上将间接的上调ERK/MAPK通路上游成分的活化能力。有相关研究发现提升相关抑制剂的用药量，或多成分靶向联合抑制也许是解决这一问题的办法，但伴随着联合疗法的持续用药，肿瘤细胞可能会逐渐摆脱对ERK/MAPK通路信号的依赖，原因在于ERK负反馈机制对上游成分作用的降低减弱，而上游成分的活性增强增强了其他信号通路对肿瘤细胞的支持作用，如P13K/AKT通路。

从国内ERK/MAPK通路靶向药相关厂商布局情况来看，二级市场上贝达药业的管线范围囊括了通路内的所有成分，包括通路上游EGFR的靶向药；其次为恒瑞医药，管线范围涵盖RAS、MEK以及ERK。

国内一级市场上累计获得过3次融资的捷思英达产品管线范围囊括了通路内的所有成分，其次为科州制药，管线范围涵盖RAS、RAF以及MEK。

图表 3：国内二级市场ERK/MAPK通路厂商布局情况

来源：来觅数据，Wind医药库

图表 4：国内一级市场ERK/MAPK通路厂商布局情况

来源：来觅数据，Wind医药库

尽管靶向药的用药不可避免地会遭遇耐药机制地出现，但可以预见地是，伴随着业界对ERK/MAPK通路认识的加深以及各联合用药在临床试验中的稳步推进，必会为相关癌症患者带来全新且有效的疗法。

参考资料

1.《Targeting ERK, an Achilles' Heel of the MAPK pathway, in cancer therapy》，2018，APSP

2.《ERK/MAPK signalling pathway and tumorigenesis (Review)》, 2020/01，Experimental and Therapeutic Medicine

3.《Negative feedback regulation of the ERK1/2 MAPK pathway》, 2016/06, Springer

4.《Development of small molecule extracellular signal-regulated kinases (ERKs) inhibitors for cancer therapy》, 2021/12，ScienceDirect