The RAS/RAF signaling pathway is an important mediator of tumor cell proliferation and angiogenesis. The novel bi-aryl urea BAY 43-9006 is a potent inhibitor of Raf-1, a member of the RAF/MEK/ERK signaling pathway. Additional characterization showed that BAY 43-9006 suppresses both wild-type and V599E mutant BRAF activity in vitro. In addition, BAY 43-9006 demonstrated significant activity against several receptor tyrosine kinases involved in neovascularization and tumor progression, including vascular endothelial growth factor receptor (VEGFR)-2, VEGFR-3, platelet-derived growth factor receptor beta, Flt-3, and c-KIT. In cellular mechanistic assays, BAY 43-9006 demonstrated inhibition of the mitogen-activated protein kinase pathway in colon, pancreatic, and breast tumor cell lines expressing mutant KRAS or wild-type or mutant BRAF, whereas non-small-cell lung cancer cell lines expressing mutant KRAS were insensitive to inhibition of the mitogen-activated protein kinase pathway by BAY 43-9006. Potent inhibition of VEGFR-2, platelet-derived growth factor receptor beta, and VEGFR-3 cellular receptor autophosphorylation was also observed for BAY 43-9006. Once daily oral dosing of BAY 43-9006 demonstrated broad-spectrum antitumor activity in colon, breast, and non-small-cell lung cancer xenograft models. Immunohistochemistry demonstrated a close association between inhibition of tumor growth and inhibition of the extracellular signal-regulated kinases (ERKs) 1/2 phosphorylation in two of three xenograft models examined, consistent with inhibition of the RAF/MEK/ERK pathway in some but not all models. Additional analyses of microvessel density and microvessel area in the same tumor sections using antimurine CD31 antibodies demonstrated significant inhibition of neovascularization in all three of the xenograft models. These data demonstrate that BAY 43-9006 is a novel dual action RAF kinase and VEGFR inhibitor that targets tumor cell proliferation and tumor angiogenesis.

PLX4032, a small-molecule inhibitor being developed by Plexxikon of California and Roche Pharmaceuticals in New Jersey ( http://go.nature.com/QnVGQx ), selectively targets B-RAFV600E, a mutant form of the B-RAF protein kinase common in several human cancers. In this issue of Nature, Gideon Bollag and colleagues report promising results for PLX4032 in an early clinical trial in melanoma patients who carry this B-RAF mutation. They also describe the structure and function of PLX4032 and present translational data from a phase I trial to show that clinical efficacy requires a drug concentration that is sufficient to cause a substantial degree of inhibition of the ERK pathway downstream of B-RAF. The study demonstrates how the design of early clinical trials based on the biological mechanisms underlying tumour formation has the potential to speed up the process by which anticancer drugs can reach the clinic. PLX4032 is a selective inhibitor of the B-RAF protein that has shown promising results in an early clinical trial in melanoma patients with an activating mutation in B-RAF. Now the structure and function of this inhibitor are described. Translational data from a phase I trial show that clinical efficacy requires a substantial degree of inhibition of the ERK pathway downstream of B-RAF. The data also show that BRAF-mutant melanomas are highly dependent on B-RAF activity. B-RAF is the most frequently mutated protein kinase in human cancers1. The finding that oncogenic mutations in BRAF are common in melanoma2, followed by the demonstration that these tumours are dependent on the RAF/MEK/ERK pathway3, offered hope that inhibition of B-RAF kinase activity could benefit melanoma patients. Herein, we describe the structure-guided discovery of PLX4032 (RG7204), a potent inhibitor of oncogenic B-RAF kinase activity. Preclinical experiments demonstrated that PLX4032 selectively blocked the RAF/MEK/ERK pathway in BRAF mutant cells and caused regression of BRAF mutant xenografts4. Toxicology studies confirmed a wide safety margin consistent with the high degree of selectivity, enabling Phase 1 clinical trials using a crystalline formulation of PLX4032 (ref. 5). In a subset of melanoma patients, pathway inhibition was monitored in paired biopsy specimens collected before treatment initiation and following two weeks of treatment. This analysis revealed substantial inhibition of ERK phosphorylation, yet clinical evaluation did not show tumour regressions. At higher drug exposures afforded by a new amorphous drug formulation4,5, greater than 80% inhibition of ERK phosphorylation in the tumours of patients correlated with clinical response. Indeed, the Phase 1 clinical data revealed a remarkably high 81% response rate in metastatic melanoma patients treated at an oral dose of 960 mg twice daily5. These data demonstrate that BRAF-mutant melanomas are highly dependent on B-RAF kinase activity.

BRAF V600E is the most frequent oncogenic protein kinase mutation known. Furthermore, inhibitors targeting “active” protein kinases have demonstrated significant utility in the therapeutic repertoire against cancer. Therefore, we pursued the development of specific kinase inhibitors targeting B-Raf, and the V600E allele in particular. By using a structure-guided discovery approach, a potent and selective inhibitor of active B-Raf has been discovered. PLX4720, a 7-azaindole derivative that inhibits B-Raf V600E with an IC 50 of 13 nM, defines a class of kinase inhibitor with marked selectivity in both biochemical and cellular assays. PLX4720 preferentially inhibits the active B-Raf V600E kinase compared with a broad spectrum of other kinases, and potent cytotoxic effects are also exclusive to cells bearing the V600E allele. Consistent with the high degree of selectivity, ERK phosphorylation is potently inhibited by PLX4720 in B-Raf V600E -bearing tumor cell lines but not in cells lacking oncogenic B-Raf. In melanoma models, PLX4720 induces cell cycle arrest and apoptosis exclusively in B-Raf V600E -positive cells. In B-Raf V600E -dependent tumor xenograft models, orally dosed PLX4720 causes significant tumor growth delays, including tumor regressions, without evidence of toxicity. The work described here represents the entire discovery process, from initial identification through structural and biological studies in animal models to a promising therapeutic for testing in cancer patients bearing B-Raf V600E -driven tumors.

Cutaneous squamous-cell carcinomas and keratoacanthomas are common findings in patients treated with BRAF inhibitors.

The neurofibromatosis type 1 (NF1) protein contains a region of significant sequence similarity to ras p21 GTPase-activating protein (GAP) and the yeast IRA1 gene product. A fragment of NF1 cDNA encoding the GAP-related domain (NF1 GRD) was expressed, immunoaffinity purified, and assayed for effects on N-ras p21 GTPase activity. The GTPase of wild-type ras p21 was stimulated by NF1 GRD, but oncogenic mutants of ras p21 (Asp-12 and Val-12) were unaffected, and the GTPase of an effector mutant (Ala-38) was only weakly stimulated. NF1 GRD also down-regulated RAS function in S. cerevisiae. The affinity of NF1 GRD for ras p21 was estimated to be 250 nM: this is more than 20-fold higher than the affinity of GAP for ras p21. However, its specific activity was about 30 times lower. These kinetic measurements suggest that NF1 may be a significant regulator of ras p21 activity, particularly at low ras p21 concentrations.

Members of the regulators of G protein signaling (RGS) family stimulate the intrinsic guanosine triphosphatase (GTPase) activity of the alpha subunits of certain heterotrimeric guanine nucleotide-binding proteins (G proteins). The guanine nucleotide exchange factor (GEF) for Rho, p115 RhoGEF, has an amino-terminal region with similarity to RGS proteins. Recombinant p115 RhoGEF and a fusion protein containing the amino terminus of p115 had specific activity as GTPase activating proteins toward the alpha subunits of the G proteins G12 and G13, but not toward members of the Gs, Gi, or Gq subfamilies of Galpha proteins. This GEF may act as an intermediary in the regulation of Rho proteins by G13 and G12.

Signaling pathways that link extracellular factors to activation of the monomeric guanosine triphosphatase (GTPase) Rho control cytoskeletal rearrangements and cell growth. Heterotrimeric guanine nucleotide–binding proteins (G proteins) participate in several of these pathways, although their mechanisms are unclear. The GTPase activities of two G protein α subunits, Gα 12 and Gα 13 , are stimulated by the Rho guanine nucleotide exchange factor p115 RhoGEF. Activated Gα 13 bound tightly to p115 RhoGEF and stimulated its capacity to catalyze nucleotide exchange on Rho. In contrast, activated Gα 12 inhibited stimulation by Gα 13 . Thus, p115 RhoGEF can directly link heterotrimeric G protein α subunits to regulation of Rho.

Abstract Many risk genes for the development of Alzheimer’s disease (AD) are exclusively or highly expressed in myeloid cells. Microglia are dependent on colony-stimulating factor 1 receptor (CSF1R) signaling for their survival. We designed and synthesized a highly selective brain-penetrant CSF1R inhibitor (PLX5622) allowing for extended and specific microglial elimination, preceding and during pathology development. We find that in the 5xFAD mouse model of AD, plaques fail to form in the parenchymal space following microglial depletion, except in areas containing surviving microglia. Instead, Aβ deposits in cortical blood vessels reminiscent of cerebral amyloid angiopathy. Altered gene expression in the 5xFAD hippocampus is also reversed by the absence of microglia. Transcriptional analyses of the residual plaque-forming microglia show they exhibit a disease-associated microglia profile. Collectively, we describe the structure, formulation, and efficacy of PLX5622, which allows for sustained microglial depletion and identify roles of microglia in initiating plaque pathogenesis.