靶点介绍
靶点HER2:
改写癌症命运的科学史诗与产业变革
1998年9月,美国食品药品监督管理局(FDA)的一纸批文,开启了一个全新的时代。一种名为赫赛汀(Herceptin,通用名曲妥珠单抗)的药物获批上市,成为人类历史上第一个靶向致癌蛋白的单克隆抗体药物。
在此之前,癌症治疗的主流手段是化疗,一种不分敌我的“地毯式轰炸”。赫赛汀的出现,让医生能像“精确制导导弹”一样,精准攻击驱动癌症生长的特定分子靶点,而这个靶点就是HER2。
HER2的故事横跨近二十年的基础研究积累与十余年的药物开发。这是一段关于科学好奇心、商业赌注、临床试验曲折,以及无数患者生命被改写的传奇。
本系列推文分上、中、下三篇,完整还原HER2从实验室到临床的历程:
上篇:聚焦HER2的发现史与基础生物学,从neu基因发现,到HER2/ERBB2的克隆鉴定,再到HER2扩增与乳腺癌预后的里程碑式关联,以及HER2作为“完美靶点”的分子生物学基础;
中篇:讲述赫赛汀的诞生与HER2靶向治疗的黄金时代;
下篇:聚焦ADC革命与格局重塑,DS-8201/Enhertu、中国药企布局及耐药机制指引的未来方向。
下面这张时间线图,将把散落在文中的年份坐标串联为一幅全景图。让我们沿着时间轴,回到一切开始的地方。
图1 HER2靶向药物发展里程碑
被捕获又被搁置的neu(1970年代末—1984年)
1.1 时代的困惑:T细胞是什么?
1970年代,癌症研究领域正处在一个激动人心的转折点。科学家们开始意识到,癌症并非某种神秘的外来入侵者,而是我们自身基因出了问题的结果。正常细胞中潜伏着一些“原癌基因”,一旦被激活,就会驱动细胞失控生长。
在这个背景下,Robert A. Weinberg教授正在麻省理工学院(MIT)的怀特海德研究所领导实验室,致力于寻找这些致癌基因。
1979年,Weinberg实验室从大鼠的神经系统肿瘤(乙基亚硝基脲诱导的神经母细胞瘤)中提取DNA,通过NIH 3T3细胞转染实验,将其导入正常小鼠成纤维细胞。结果令人震惊:这些小鼠细胞发生了恶性转化。
值得注意的是,癌变细胞表面出现了一种由大鼠基因编码的、分子量约185 kDa的特殊蛋白(p185),能够引发小鼠的免疫反应。因为这个基因来自大鼠的神经系统肿瘤(neuroblastoma),Weinberg将它命名为“neu”。
命运的转折就在这里发生。发现neu之后,Weinberg并没有立即全力投入,当时正全力攻坚另一个更“热门”的癌基因,RAS的克隆。neu基因就这样被暂时搁置在实验室的角落里,等待被重新发现。
与此同时,其他科学家也在沿着相似的线索前进。1984年,Schechter等人独立在大鼠细胞中发现了同样的致癌基因,同样命名为“neu”,并证实其编码的p185蛋白具有内在的酪氨酸激酶活性。
而在基因泰克(Genentech),科学家Axel Ullrich博士与同事Art Levinson博士,发现了一个和人类表皮生长因子受体(HER1,即EGFR)基因高度相似的基因,他们将它命名为HER2(Human Epidermal growth factor Receptor 2)。
后来的研究证实,这些来自不同实验室的发现其实指向的是同一个基因,neu、ERBB2、HER2,描述的是同一样东西。HER2是ERBB2在人类中编码的蛋白,因其与人表皮生长因子受体结构相似而得名。这个基因位于人类第17号染色体长臂(17q21-q22),编码一种185 kDa的跨膜受体酪氨酸激酶,属于ERBB受体家族。
HER2:天生失控的开关(1985—1987年)
HER2的独特之处在于:它本身没有已知的配体,无法像EGFR那样直接被生长因子激活。相反,HER2以“开放构象”永久暴露其二聚化结构域,成为HER家族中最活跃的“共受体”。
当其他成员(如HER3)与配体结合后,HER2是它们首选的二聚化搭档,能显著增强信号传导效率。这种“无配体但高活性”的特性,使HER2在肿瘤发生中扮演着独特的角色。
在正常生理条件下,这些信号受到严格调控。但在HER2扩增的癌细胞中,HER2激活后通过反式自磷酸化在胞内域产生磷酸化酪氨酸残基,这些残基成为多种信号适配蛋白的停靠位点,进而激活三大核心通路:
RAS-RAF-MEK-ERK通路:驱动细胞增殖和分化;
PI3K-AKT-mTOR通路:促进细胞存活、抑制凋亡、调控代谢;
JAK-STAT通路:影响基因转录和免疫调节。
这三条通路被永久性地卡在“开”的位置,驱动肿瘤疯狂生长与转移。
癌症预后首次锁定HER2
1985至1987年之间的几个关键发现,将这个基因从一个单纯的科研好奇心推向了临床靶点的舞台中央。
1985年,两个研究团队几乎同时从人类DNA中独立分离出了相同的erbB相关基因,分别命名为HER2和c-erbB-2。同一年,King等人首次证明,ERBB2基因在人类乳腺癌的一个亚群中扩增了高达20倍。
但真正改变历史的是1987年。加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Dennis Slamon博士联手德克萨斯大学圣安东尼奥分校的Bill McGuire博士以及基因泰克的几位科学家,在Science杂志发表了一项重磅发现:大约20%至30%的乳腺癌存在HER2基因的扩增或过表达。
这意味着,正常细胞表面大约有2万个HER2受体,而HER2阳性乳腺癌患者的每个癌细胞上,这个数字高达200万,是正常标准的100倍。过多的HER2导致细胞增殖信号失控,肿瘤疯狂生长。Slamon等人的研究进一步证明,HER2扩增与患者更低的生存率和更快的复发显著相关。
Slamon等人的发现,首次将HER2基因的异常与乳腺癌的临床预后直接联系了起来。HER2不再只是一个实验室里的基因编号,而是一个有明确临床意义的生物标志物。
这个发现也奠定了一个全新治疗范式的基础:如果能开发一种药物,精准地阻断HER2的过度信号,是否就能控制住这部分最具侵袭性的乳腺癌?
Slamon选择将研究聚焦于HER2,而非其他癌基因,HER2的扩增与不良预后之间的强关联,使其成为一个极具吸引力的药物靶点。相比之下,同家族的HER1(EGFR)在乳腺癌中突变率不到5%,HER4的作用机制又不明确。
在当时有限的资源和条件下,集中火力攻打HER2是最高效的策略。下图的数据曲线能让这个关联的分量一目了然。
图2 按HER2状态分层的乳腺癌患者生存分析
HER2为什么是“完美靶点”
在深入药物开发之前,让我们先理解HER2为何被称为肿瘤靶向治疗的“教科书级靶点”,主要从以下三个方面来看:
4.1 结构特征:暴露的二聚化结构域
HER2与其他ERBB家族成员一样,由三个主要部分组成:胞外结构域(ECD)、跨膜结构域(TMD)和胞内酪氨酸激酶结构域(ICD)。
但HER2的独特之处在于其胞外域呈现独特的“开放”构象,二聚化臂(dimerization arm)始终处于伸展状态,无需配体诱导即可与其他家族成员形成异二聚体。下面这张结构对比图会把它展示得清清楚楚。
图3 HER2的“开放”构象与HER1/HER3的“闭合”构象对比
这种结构特性使HER2成为:
最活跃的共受体:HER2/HER3异二聚体是信号最强的组合;
最稳定的信号平台:减少了对配体浓度的依赖;
最理想的抗体靶点:胞外域大量暴露,易于抗体结合。
曲妥珠单抗(赫赛汀)结合的是HER2胞外结构域IV,而帕妥珠单抗结合的是结构域II,两者结合在不同表位,机制互补。
4.2 信号网络:从膜到核的增殖指令
HER2激活后,通过反式自磷酸化在胞内域产生磷酸化酪氨酸残基,这些残基成为多种信号适配蛋白的停靠位点,进而激活三大核心通路:
RAS-RAF-MEK-ERK通路:驱动细胞增殖和分化;
PI3K-AKT-mTOR通路:促进细胞存活、抑制凋亡、调控代谢;
JAK-STAT通路:影响基因转录和免疫调节。
在正常生理条件下,这些信号受到严格调控。但在HER2扩增的癌细胞中,信号通路被持续激活,导致细胞周期失控、凋亡抵抗、血管生成和侵袭转移能力增强。
结构决定功能。HER2的“开放构象”一旦锁定,接下来的问题就是:它究竟如何把增殖指令从细胞膜一路传递到细胞核?这张信号通路图给出了完整的分子路线。
图4 HER2信号调控的示意图
4.3 “致癌基因成瘾”(Oncogene Addiction)
HER2阳性乳腺癌对HER2信号的依赖程度极高,这是一种典型的“致癌基因成瘾”现象。当HER2信号被阻断时,癌细胞不仅停止增殖,还会快速启动凋亡程序。
这种“成瘾性”使HER2成为理论上最理想的药物靶点:精准打击即可造成癌细胞的“系统崩溃”,而对正常细胞影响有限。
小结
这从1979年neu基因的偶然发现,到1987年Slamon博士确立HER2与乳腺癌预后的关联,再到对HER2分子生物学的深入理解,这近十年的基础研究,为后续的药物开发奠定了不可动摇的科学基石。
但发现靶点只是第一步。如何将一个实验室里的基因变成能够拯救患者的药物?这需要跨越抗体工程、人源化技术、临床试验设计、伴随诊断开发等一系列难关。在1980年代末,基因泰克的科学家们开始了这场被誉为“生物技术史上最伟大豪赌”的征程。
下篇,我们将回到1980年代末的基因泰克实验室:讲述小鼠单克隆抗体4D5如何被“人源化”为曲妥珠单抗,讲述“药物-诊断共开发”这一精准医疗黄金标准的诞生,讲述1998年FDA批准那个改变历史的9月,以及帕妥珠单抗、T-DM1、拉帕替尼等第二代药物如何构建起罗氏的HER2靶向治疗帝国。敬请期待!
关于海百
海百生物(HBind)成立于2016年5月,位于武汉市东湖高新区,是一家以“加速药物研发、守护人类健康”为使命,致力于创新生物药、抗体等各类靶向结合分子的开发和应用的高新技术企业,为全球创新药企和科研机构提供从抗原设计制备、抗体开发、筛选评价、工程化改造和生产的一站式抗体服务。
团队现已成功完成900+项目,形成多种属全平台的抗体等靶向结合分子开发能力。涵盖人、鼠、兔、羊驼等15个物种,包含流式单B、噬菌体、酵母、细胞、mRNA展示、杂交瘤共六大技术平台。
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