JAK抑制剂：从爆发到瓶颈到新希望

PHT制药业 2022-04-26

磷酸芦可替尼（Ruxolitinib Phosphate）是世界上第一个JAK抑制剂，于2011年批准上市。作为JAK抑制剂的鼻祖，芦可替尼目前已经在18个国家获批上市，用于治疗特应性皮炎、移植物抗宿主病、真性红细胞增多症、原发性骨髓纤维化等多达几十种疾病。十多年来，JAK抑制剂的数量呈爆发式增长，已有9款上市药物，同时还有大量药物进入3期临床。尽管如此，JAK抑制剂也面临着一些问题，今天让我们一起来了解一下JAK这一靶点，人类碰到了什么问题，以及又有哪些新的发现和办法。

图1 JAK/STAT信号通路示意图（来源：Basic Mechanisms of JAK Inhibition）

JAK/STAT信号通路及相关疾病

细胞因子是一个大家族，其种类非常繁多，对细胞生长、造血、免疫和炎症具有广泛的影响。细胞因子与细胞膜上I/II型细胞因子受体的胞外结构域结合，来启动信号传导，促进受体二聚化，随后该信号传递到细胞内结构域（ICD），导致JAK激酶的磷酸化。JAK家族有四个成员，包括JAK1、JAK2、JAK3和TYK2，通过受体中两个不同的保守基序与ICD的膜近端区域作用，这两个基序分别是一个富含脯氨酸的片段（Box1）和一个疏水片段（Box2）。JAKs将ICD内的酪氨酸残基磷酸化，该磷酸化位点成为STAT转录因子的对接位点并将其招募，随后JAK将STAT磷酸化，导致STAT二聚化并转移到细胞核，启动相关基因的转录（图1）。

JAK/STAT信号通路的失调与各种疾病有关（表1）。例如，JAK2的V617F突变常常导致骨髓增生性肿瘤（MPN）。此外，当细胞因子水平异常升高后，就会激活JAK/STAT通路，从而诱导基因转录，引起类风湿性关节炎（RA）、系统性红斑狼疮（SLE）等自身免疫性疾病。

表1（来源：The JAK-STAT signaling pathway: from bench to clinic）

JAK抑制剂

图2 JAK/STAT通路的众多治疗靶点

（来源：The JAK-STAT signaling pathway: from bench to clinic）

针对JAK/STAT信号通路的药物很多，JAK抑制剂是其中的一种（图2）。JAK抑制剂属于小分子抑制剂，其治疗效果基于两个因素。首先，在大多数自身免疫性疾病中，抑制JAK的功能可导致免疫抑制，减少血清促炎因子水平的升高。其次，在某些疾病（如骨髓增生性癌症）中，识别并抑制JAK突变体能够达到治疗的目的。目前，许多JAK抑制剂已批准上市，用于治疗各种疾病（详见表2）。

表2 JAK抑制剂的临床研究进展

（来源：The JAK-STAT signaling pathway: from bench to clinic）

第一代JAK抑制剂包括tofacitinib、oclacitinib、baricitinib和ruxolitinib，它们以JAK蛋白上的酪氨酸激酶结构域为目标，是ATP竞争性化合物。然而该结构域高度保守，因此第一代JAK抑制剂的选择性较差，副作用也大。

第二代JAK抑制剂大多也具有ATP竞争性，但选择性有所提高。例如，upadacitinib是一种选择性JAK1抑制剂，2019年被批准用于RA。然而，它也会一定程度上抑制JAK2，导致贫血。

这里有必要提一下特异性（specificity）和选择性（selectivity）的差别，一般生物药才会说特异性，小分子药常说选择性。原因是像抗体这种生物制剂对其靶点具有高度特异性，几乎不会产生脱靶效应，就像锁和钥匙，大多数钥匙在“错误”的锁中根根本不起作用。而小分子抑制剂则不同，它与其靶点以及ATP处于米氏平衡，例如JAK1抑制剂在JAK1上与ATP的竞争，其效力高于JAK2、JAK3或TYK2。然而，随着细胞内药物浓度的增加，它可能会影响ATP与这些其他JAK激酶的结合，并失去选择性（图3）。更麻烦的是，胞内药物浓度不仅取决于剂量，还取决于每个患者的年龄、体重、肝肾功能、药物相互作用等多种因素。因此绝对的选择性很难达到。

图3 JAK抑制剂的选择性在低浓度和高浓度下的不同效果

（来源：Basic Mechanisms of JAK Inhibition）

除了提高选择性外，JAK抑制剂还发展出了一些其他方向。一种是开发多靶点药物，这些药物不仅抑制JAK/STAT通路，还抑制其他途径。例如Fedratinib是一种JAK2抑制剂，同时还能抑制FLT3的活性，已被FDA批准用于治疗骨髓纤维化（MF）。再比如Gusacitinib除了抑制JAK家族的所有四个成员外，还能抑制SYK2。此外，还处于临床研究的抑制剂ritlecitinib也是JAK3/TEC双靶点抑制剂。

另一种是开发JAK抑制剂的局部疗法。例如JAK1/3抑制剂ATI-1777能选择性地作用于肠道，而全身作用很小。JAK3/SYK2/ARK5多靶点抑制剂OST-122也是一种肠道选择性药物，目前处于2期临床阶段，用于治疗溃疡性结肠炎（UC）。

JAK1全长结构的进展

最近，Science发表了JAK1激活状态下的完整结构（EMDB ID: EMD-25715，图4为模式图），促进了对细胞因子和致癌突变驱动信号激活的理解。JAK1与IFNλR1的二聚体结构显示，激活后的JAK1二聚体通过PK结构域产生相互作用，而FERM-SH2结构域则承担了与受体作用的角色。

图4 JAK1-IFNλR1二聚体的冷冻电镜结构模式图

（来源：Structure of a Janus kinase cytokine receptor complex reveals the basis for dimeric activation）

结合先前的研究，作者还提出了JAK激活的两步变构模型（图5）。当JAK活化前，PK结构域处于自我抑制的状态，只有发生变构后才能形成二聚体。

图5 JAK激活模型

（来源：Structure of a Janus kinase cytokine receptor complex reveals the basis for dimeric activation）

许多研究表明，Val→Phe突变能引起骨髓增生性肿瘤（MPN），而该突变就位于PK-PK二聚体界面，突变提高了PK之间的形状互补性和疏水相互作用（图6），使得JAK在没有受体信号时也能发生二聚。这一发现阐述了JAK激酶可能的一种致癌机制。此外，该发现对于药物研发也具有重要的指导意义。目前治疗该突变疾病的药物都具会产生耐药，原因是异源二聚化中如果抑制了其中一种JAK，另一种仍可能发生突变，因此如果设计出直接针对该突变的疗法，则可以避免这一问题，同时还能避开正常JAK。

图6 V657F突变增加了JAK1二聚体PK界面的相互作用

（来源：Structure of a Janus kinase cytokine receptor complex reveals the basis for dimeric activation）

总结

JAK抑制剂发展到如今已经有不少药物上市，在自身免疫疾病和肿瘤领域占有一席之地。但以往的JAK抑制剂大多以ATP竞争性药物为主，难免产生很多副作用。随着对JAK激活机制的进一步理解，抑制剂的开发又开辟了新的道路，让我们一起期待下一个大爆发吧。

参考文献

[1] Lin CM, Cooles FA, Isaacs JD. Basic Mechanisms of JAK Inhibition. Mediterr J Rheumatol. 2020 Jun 11;31(Suppl 1):100-104. doi: 10.31138/mjr.31.1.100.

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Glassman CR, Tsutsumi N, Saxton RA, Lupardus PJ, Jude KM, Garcia KC. Structure of a Janus kinase cytokine receptor complex reveals the basis for dimeric activation. Science. 2022 Apr 8;376(6589):163-169. doi: 10.1126/science.abn8933.

本文来源于BiG生物创新社

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JAK/STAT信号通路及相关疾病

JAK抑制剂

JAK1全长结构的进展

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