Cell：傅海安团队揭示基因突变诱导的蛋白相互作用致癌新机制
来源：生物世界 2022-05-06 10:00
这一“先来后到”的抗癌靶向药物序贯联合疗法的策略目前在体外细胞模型中得到了支持，需要进一步在体内动物模型中进行验证。
细胞的基因突变是癌症发生，发展，以及耐药的重要原因。如何快速精准地将海量肿瘤基因组信息转化成临床中安全有效的癌症靶向疗法是当今科学前沿。目前，大量科学研究关注致癌突变如何调控原癌基因蛋白产物本身的活性。然而，基因突变形成的氨基酸残基是否会直接诱导或链接新生蛋白相互作用（neoPPI），进而导致肿瘤细胞特有的蛋白网络新功能，还未被充分阐释。
埃默里大学傅海安教授团队在 Cell 期刊在线发表了题为：Systematic discovery of mutation-directed neo-protein-protein interactions in cancer 的论文。
该研究绘制出首个常见癌症基因突变特异性新生蛋白相互作用（neo-protein-protein interaction，简称neoPPI）网络草图，发现突变的氨基酸基团能直接诱导蛋白结合, 形成新的肿瘤特有的相互作用。从而为基因突变的致癌机制研究，靶向药物发现，以及临床转化提供了众多的新思路。
由于细胞内的蛋白相互作用网络瞬息万变，如何精准捕捉癌症单点突变导致的蛋白相互作用的变化充满挑战。傅海安教授实验室长期致力于肿瘤细胞中蛋白质相互作用网络的研究。为解决难题，团队首先开发了新一代的自动化蛋白相互作用检测技术，命名为quantitative high-throughput differential screening platform（qHT-dS）。qHT-dS 技术是基于新型纳米萤光素酶产生的生物发光共振能量转移原理来定量检测活细胞内蛋白之间的直接相互作用。
独特的 qHT-dS 技术结合自动化机器人平台使得系统高效地检测癌症突变引起的蛋白相互作用成为可能。该团队充分利用 qHT-dS 自动化平台，并开发相应计算机算法，在过去的几年间完成了数十万对蛋白-蛋白相互作用的定量检测，得到了百万蛋白相互作用数据，为阐明癌症发生机制及开发治疗手段提供了重要资源。
利用这些宝贵的数据，研究团队仔细探寻小小的癌症基因单点突变是否会改变细胞内蛋白相互作用网络。通过一系列的系统生物学，生物信息学，化学生物学，生物物理及生物化学等综合手段，团队确认癌症突变的确会改变细胞内蛋白相互作用，尤其是蛋白突变会创造新生蛋白相互作用。共同第一作者钮乾坤介绍道：一个简单的氨基酸残基变化不仅仅能改变蛋白的已知功能，例如提高酶活性或者破坏已有的蛋白相互作用，也有可能会产生新的表位，也就是新的相互作用界面，诱导产生新的蛋白相互作用，从而使突变蛋白表现出不同于野生型蛋白的新功能。
通过检测大量常见癌症突变的蛋白相互作用，团队发现这种突变导致的从“无”到“有”的新生蛋白相互作用远超之前报道的个例，存在于几乎所有被检测的常见癌症突变中，表现为一种普遍的现象。传统教科书认为，抑癌基因突变的致癌机制主要是由于突变蛋白丢失了抑制癌变的功能，就像行驶的汽车没有了刹车。然而，neoPPI 的研究表明，突变的抑癌蛋白不仅丢失了已知的相互作用，同时能引起新生蛋白相互作用，即转换相互作用伙伴，从而获得新的蛋白功能，促进肿瘤的发生发展。
这些“从无到有”的癌症突变特异性新生蛋白相互作用，不仅仅可以为理解癌症发生及发展的内在复杂机制提供全新的研究角度，同时也能为抗癌疗法提供有效的临床指导。以 BRAF-V600E 突变为例。BRAF-V600E 是一种常见于皮肤癌，直肠癌和肺癌等癌症中的促癌基因突变。V600E 突变会导致 BRAF 丝氨酸-苏氨酸激酶处于持续性活化状态，从而激活下游有丝分裂原‑活化蛋白激酶（MAPK）信号通路，最终导致癌细胞不可控的增殖。已经有众多针对 BRAF-V600E 的靶向抑制剂在临床中被广泛使用，例如维罗非尼。然而，几乎所有携带 BRAF-V600E 突变的癌症病人都表现出原发性或者获得性耐药问题，最终导致疾病进展或者复发。
在深度挖掘蛋白相互作用大数据的过程中，该研究团队发现 BRAF-V600E 可以诱导产生众多的突变特异性新生蛋白相互作用，从而影响多种促癌信号通路的改变。例如， BRAF-V600E 不仅减弱了与 MEK1 的已知蛋白相互作用，同时产生了与 KEAP1 的突变特异性新生蛋白相互作用。
进一步的分子机制研究表明，BRAF-V600E/KEAP1 neoPPI 会激活 KEAP1 蛋白主导的 NRF2-活性氧信号通路, 从而导致 NRF2 下游基因表达上调，例如 NAD(P)H 醌氧化还原酶-1 (NQO1)水平升高。相反，维罗非尼在抑制 BRAF 激酶活性的同时，也会破坏 BRAF-V600E/KEAP1 neoPPI，导致 NRF2-NQO1 信号下调。与此同时，团队通过独立的化学生物学手段发现了一系列醌的衍生物，包括 Deoxynyboquinone（DNQ），对携带 BRAF-V600E 的癌细胞具有选择性的杀伤作用。有趣的是，DNQ 的抗癌作用依赖于 BRAF-V600E/KEAP1 neoPPI 介导的 NRF2-NQO1 信号上调。
结合一系列的实验数据，团队制定了先使用 DNQ 随后使用维罗非尼的策略，以期产生更有效的协同用药作用。这一“先来后到”的抗癌靶向药物序贯联合疗法的策略目前在体外细胞模型中得到了支持，需要进一步在体内动物模型中进行验证。
以 BRAF-V600E/KEAP1 neoPPI 为代表，此类肿瘤特有分子机制验证和转化相结合的研究为如何利用大量的 neoPPI 数据提供了一种有效的思路。该研究中发现的大量 neoPPI 及相关信号通路为探索潜在的新型抗癌药物靶点提供了丰富的资源和难得的机遇。
“就好像细胞内的一场“蝴蝶效应”—— 一个初始的小小的突变却会意外地产生无法预测的整体蛋白相互作用网络的改变，最终导致癌症。该研究有助于理解这场癌细胞内“蝴蝶效应”过程中千丝万缕的关联，提供一个新的角度推动从基因组向临床转化的科学进步。”，论文共同第一作者、埃默里大学助理教授莫秀磊形象地表示。
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