1. KRAS基因及相关通路

1) KRAS基因的概念

KRAS基因的全名叫Kirstenratsarcomaviraloncogenehomolog，翻成中文是“Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物”。KARS基因编码的蛋白是一种小GTP酶（smallGTPase），它属于RAS超蛋白家族。

2) KRAS基因的分类

在人的基因组中，有2个KRAS基因。一个是KRAS1，位于第6号染色体的短臂上；另一个是KRAS2，位于第12号染色体的短臂上。其中，KRAS1是“假基因”，不能被转录成RNA，所以它是没有功能的。而KRAS2才是“真基因”，能够转录、并且翻译成蛋白，具有生物学活性。

Note：通常公司和文献报道中所研究的KRAS基因和蛋白，是指“KRAS2”基因及其蛋白产物。

KRAS基因属于RAS基因家族。RAS基因家族当中，还有NRAS(neuroblastoma-RAS)和HRAS(Harvey-RAS)。HRAS、KRAS和NRAS，分别定位在11、12和1号染色体上，都参与细胞内的信号传递。

KRAS蛋白有2种变体。这2种变体，是因为第4号外显子在RNA的剪接过程中，有2种不同的剪接方式，就得到了2种mRNA，进而翻译出2种蛋白质（变体）。这2种蛋白质分别被称为“KRAS4A”和“KRAS4B”，KRAS4B的表达量明显多于KRAS4A的表达量，一般情况下，KRAS4B是KRAS4A的5倍。

3) KRAS蛋白的结构和位置

KRAS蛋白质有188个氨基酸，它的分子量是21.6KD。拥有GTPase酶活性的鸟嘌呤核苷结合蛋白。

KRAS蛋白定位在细胞膜的内侧，通过一个法呢酰基（Farnesyl）的修饰基团【1】，连到细胞膜上。法呢酰基，是通过翻译后的蛋白修饰，在法呢酰基转移酶【2】的作用下，加到KRAS蛋白上的【3】。

来源：Farnesyltransferaseinhibitorsinhematologicmalignancies:newhorizonsintherapy

4) KRAS相关通路

上游信号通路

正常细胞中，细胞膜上的EGFR、HER2、ErbB3和ErbB4等受体单体与细胞膜外配体结合形成二聚体，二聚体自身磷酸化，再磷酸化下游的信号蛋白。其中一条信号通路可激活Grb2-Shc，再激活SOS蛋白，进而可激活KRAS蛋白。

KRAS通路

在细胞内，KRAS蛋白在失活和激活状态之间转变，当KRAS与鸟嘌呤核苷二磷酸（GDP）结合时，它处于失活状态，当它与鸟嘌呤核苷三磷酸（GTP）结合时，它处于激活状态，并且可以激活下游信号通路。

下游信号通路

大部分细胞中的KRAS处于失活状态，当它被激活后，可以激活多条下游信号通路，其中包括MAPK信号通路，PI3K信号通路，和Ral-GEFs信号通路。这些信号通路在促进细胞生存、增殖和细胞因子释放方面具有重要作用。

5) KRAS活性的调节因子

KRAS在失活与激活状态之间的转换受到两类因子的调节。

一类是鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF），这类蛋白催化KRAS与GTP的结合，从而促进KRAS的激活，其中包括SOS蛋白（属GEFs/鸟苷释放因子/鸟苷酸交换因子)。

另一类是GTP酶（GTPase）激活蛋白（GAPs），这类蛋白能够促进与KRAS结合的GTP水解成为GDP终止活性状态，从而抑制KRAS的活性。

6) 调节过程

a) RAS是GDP/GTP循环控制的二进制分子开关：KRAS蛋白未被激活时，与GDP紧密结合，处于“关”的状态；接收到信号后，鸟苷酸交换因子GEFs（SOS）被招募到细胞膜上与RAS结合并释放GDP，KRAS被SOS蛋白激活后，转到与GTP结合。

b) 与GTP结合的KRAS蛋白，具有磷酸激酶的活性，代表“开”的状态，可进一步激活下游蛋白。

Note：没有刺激信号时，这种关开状态的转换非常缓慢。

c) 被激活的下游信号蛋白：Raf蛋白家族、PI3K蛋白、PLC-ε、RALGDS、TIAM1、RIN1等下游蛋白【1】。

d) 下游信号通路打开后，进一步激活再下游信号通路【2】，进而启动细胞增殖、细胞迁移等细胞功能【3】。

来源：NatureReviews|Cancer

2. KRAS致癌基因的突变

由于RAS在许多重要细胞信号网络的轴上处于中心位置，因此它们与许多癌症标志有关。RAS蛋白之所以如此命名，是因为它们首先是在由强致癌性病毒引起的大鼠肉瘤的研究中被鉴定出来的。RAS是人类癌症中最常出现突变的致癌基因，目前已经在所有人类肿瘤的大约1/5中发现了突变引起的RAS蛋白激活。

而KRAS是RAS家族中最常出现的亚型，KRAS基因突变占RAS基因突变总数的85%（NRAS(12%)次之，HRAS(3%)最少）。在人类癌症中，KRAS基因突变出现在接近90%的胰腺癌中，30-40%的结肠癌中，17%的子宫内膜癌中，15-20%的肺癌中（大多为NSCLC）。它也会在胆管癌、宫颈癌、膀胱癌、肝癌和乳腺癌等癌症类型中出现。也就是说，在上述多种癌症中，有高比例的KRAS基因突变。

数据来源：Liuetal.,(2019).TargetingtheuntargetableKRASincancertherapy.ActaPharmaceuticaSinicaB,https://doi.org/10.1016/j.apsb.2019.03.002

在KRAS的基因突变中，97%是第12号或者第13号氨基酸残基发生了突变。其中最主要的是G12D、G12V、G13D这三种突变。结构学研究表明，这些基因突变大多干扰KRAS水解GTP的能力。

KRAS基因的三种主要突变

KRAS与GDP或GTP的结合力非常强，它（KRAS）与GTP结合的亲合系数在PicoMolar（皮摩尔浓度）级。当KRAS与GDP结合时，没有激酶活性；而当KRAS与GTP结合时，有激酶活性。野生型的KRAS与GDP结合，还是与GTP结合，受到上游信号调控。

当KRAS发生G12D、G12V、G13D这几种突变后，会通过破坏GAP活性，KRAS会一直保持与GTP结合，将KRAS锁定在有酪氨酸激酶活跃状态，并不断激活下游信号通路（如PI3K，RAF-MEK-ERK（MAPK），RAL-GEF等）。这些下游的信号通路打开之后，就会刺激细胞增殖、迁移，最终促成肿瘤发生。

我们打个比方来说明这种突变的后果：将KRAS比作银行金库（细胞增殖、迁移能力）的保管员。正常情况下，只有银行行长（上游信号蛋白）带着钥匙（激活信号）来，保管员（KRAS）才能打开金库（细胞增殖、迁移）。现在金库保管员（KRAS）偷配了金库钥匙，把金库大门大开，那么金库（细胞增殖、迁移）也就失控了。

3. KRAS的功能作用与肿瘤治疗的关系

RAS在细胞生长的信号调控当中起到枢钮的作用。上游的EGFR（ErbB1）、HER2(ErbB2)、ErbB3、ErbB4等细胞表面受体【1】，在接收外界信号【2】后，会通过RAS蛋白【3】，把信号传递到下游【4】。进而刺激细胞增殖、迁移。

来源：陈巍学基因

KRAS是RAS蛋白中的重要一员，KRAS基因的突变，会直接影响到针对EGFR基因的抗肿瘤药物的疗效。同时KRAS基因是否有突变，也是肿瘤预后的一个重要指标。

如果一个肿瘤病人的肿瘤当中有KRAS的激活突变，那么针对EGFR的靶向治疗药，例如：西妥昔、易瑞沙等，它们的治疗效果，通常不太好。因为KRAS把药物对EGFR的抑制作用给绕开了。此外，有KRAS激活突变的肿瘤病人，预后一般也不太好，生存期往往会明显短于那些没有KRAS激活突变的病人。

所以，肿瘤当中的KRAS基因，是否有激活突变，对于预判EGFR抑制剂类的药物（的治疗）是否会奏效，很重要。正因如此，对KRAS基因的激活突变的检测，现在已经是肿瘤靶向药物的重要伴随诊断之一。

研究表明，致癌的KRAS基因突变除了直接促进肿瘤细胞的增殖和生存以外，还能够对肿瘤微环境产生影响。致癌性KRAS以旁分泌方式诱导影响基质周围的细胞（如成纤维细胞，先天性和适应性免疫细胞），这些基质细胞反过来又促进了癌症的恶性。

携带KRAS基因突变的肿瘤细胞能够分泌多种细胞因子、趋化因子、和生长因子，包括IL-6,IL-8,IL-23,CCL9,hedgehog等等。这些因子能够对肿瘤微环境中的基质细胞（stromacells）进行重编程。例如，IL-6和IL-8能够在胰腺癌和肺癌中维持基质的炎症表型。而肿瘤细胞分泌的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）能够刺激髓源抑制细胞（myeloid-derivedsuppressorcells,MDSC）对肿瘤的浸润，从而抑制抗肿瘤免疫反应。

KRAS突变对肿瘤微环境的影响

数据来源：

Liuetal.,(2019).TargetingtheuntargetableKRASincancertherapy.ActaPharmaceuticaSinicaB,https://doi.org/10.1016/j.apsb.