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与“癌”共舞,Cell Reports:蛋白质组学助力解决KRAS靶向疗法耐药性困局

发布时间: 2020-04-16
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针对肺癌驱动基因之一的KRAS基因突变研究,一直以来是学术界关注热点之一。KRAS是人类癌症(例如胰腺癌、结直肠癌和肺癌)中最常见的突变,大约占突变总比例的30%左右,在具有“癌症之王”之称的胰腺癌里,这一数字甚至高达90%。鉴于KRAS在肿瘤中的关键作用和普遍性,特异性地抑制KRAS有巨大的医学前景。

由于在结构上缺乏让小分子或药物结合的靶点,KRAS因此一度被行业认为“不可成药”。幸运的是,经过了几十年持续不断的研究,KRASG12C癌蛋白的共价抑制剂近些年已经被陆续开发出来,并在临床试验进行了评估,让KRAS突变不再“无药可治”【1】。但众所周知,靶向疗法的耐药性很常见,可能会限制住KRAS抑制剂(KRASi)的长期疗效,全面表征KRASi的抗性机制之重要性不言而喻。

近日,美国达纳·法伯(Dana-Farber)癌症研究中心的Joseph Mancias教授团队在国际知名期刊Cell Reports发文,研究人员运用TMT定量蛋白质组学,对目前正在接受临床试验评估的新开发KRASG12C抑制剂的耐药机制展开了深入研究。研究比较了不同肿瘤细胞系(胰腺癌,肺癌)、不同细胞培养条件(2D,3D)以及不同的KARS抑制剂(ARS-1620, compound 4)所造成的蛋白质组差异,全面表征了KRASG12C突变肿瘤细胞对KARSi的适应性机制。

与“癌”共舞,Cell Reports:蛋白质组学助力解决KRAS靶向疗法耐药性困局

本研究共定量到10805种蛋白质,这也是迄今为止最全面的KRASi蛋白质组学库。基于蛋白质组学数据,作者确定了KRASi与磷脂酰肌醇3激酶(PI3K),HSP90,CDK4 / 6和SHP2抑制剂的有效组合,在某些情况下,将对KRASi单一疗法的细胞抑制反应转化为对联合治疗的细胞毒性反应,为体内的临床前试验奠定了基础。

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Graphical Abstract

研究人员选择了两种目前正在接受临床试验评估的新开发KRASG12C抑制剂:ARS-1620和compound 4。研究发现这两种抑制剂能够显著抑制KRASG12C突变PDAC(胰腺导管腺癌)和NSCLC(非小细胞肺癌)两种癌细胞系的生长,IC50剂量处理的细胞在7天后恢复增殖能力证明产生了耐药性。

为了研究细胞对KRASi如何响应以及产生耐药性,作者使用了基于TMT标记的定量质谱(质谱策略),比较了在PDAC和NSCLC细胞中加入抑制剂后不同时间点引起的蛋白组变化(样本策略)。通过数据分析,进一步选取了24小时和7天的蛋白质组来研究短期和长期 KRASi处理引起的细胞内通路改变。

与“癌”共舞,Cell Reports:蛋白质组学助力解决KRAS靶向疗法耐药性困局

图1、定量蛋白质组学方法确定PDA、NSCLC对KRASi的适应机制

蛋白质组学分析发现,来自不同类型的肿瘤细胞系(肺癌,胰腺癌)在KRASi处理后蛋白质组显示相似的途径富集。对前300种上调的蛋白(24小时和7天)的PPI和GO分析表明,两种肿瘤细胞系中上调的通路存在相似性。在24h时间点,细胞系之间重叠功能的分析包括: 代谢(PPP和脂质代谢)、细胞因子信号传导和PI3K / AKT信号传导途径的激活;而在7day时间点,长期适应与改变有关的主要是:抗原呈递、对氧化应激的反应和溶酶体途径。

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图2、肿瘤细胞系(肺癌,胰腺癌)KRASi蛋白质组的生信分析

使用二维细胞培养(2D)来模拟对治疗的适应性反应可能是一种经典的方法,但在某些情况下,三维(3D)模型可以更好地概括体内生理和药物敏感性。因此研究人员选择了两种NSCLC细胞系(HCC44和H2030),进一步测试了2D与3D模型中药物反应的差异。研究发现与2D条件相比,在3D中对KRASi的敏感性至少提高了20倍。对用KRASi处理72小时(2D,10 mM;3D,0.5 mM)的HCC44细胞进行了蛋白质组学分析,结果显示3D与2D条件下,与DNA复制/转录/修复和TCA周期相关的蛋白质均发生下调,MAPK / mTOR途径和抗原呈递均上调。与2D相比,3D生长条件与抗原呈递、先天免疫应答、信号传导途径、碳水化合物代谢和ECM的上调相关。

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图3、在2D和3D生长条件下对KRASi适应的机制

研究同时发现,肿瘤细胞对KRASi的急性和长期适应机制不同。急性适应机制中,细胞周期途径、转录和翻译发生下调,脂质代谢、TCA循环等则会发生上调。而长期KRASi治疗使得细胞周期途径、转录、DNA修复、线粒体呼吸及溶酶体代谢发生上调,而mTOR信号发生明显减少。这也为解决KRAS靶向疗法耐性药性提供了理论依据。

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图4. KRASi急性和长期适应机制不同

最后,研究人员基于蛋白质组学数据,结合细胞实验,进一步筛选和确定了几种候选的KRASi联合疗法以抑制耐药性产生。其中,KRASi与HSP90抑制剂 (17-AAG)和细胞周期抑制剂(CDK4/6i)的联合使用有效地阻断了2D和3D细胞培养模型的生长,为体内的临床前试验奠定了基础。

综上所述,研究人员运用TMT定量蛋白质组学等技术,对目前正在接受临床试验评估的新开发KRASG12C抑制剂的耐药机制展开了深入研究。研究提供了迄今为止最全面的KRASi蛋白质组学库,全面表征了对KRASi的适应性,并确定了具有潜在治疗作用的组合方案,为KRASG12C抑制剂的耐药性和临床应用奠定了基础,也进一步表明了蛋白质组学技术在精准医学中的重要研究价值。

参考文献

1. Zeng, et al., 2020.Exploring Targeted Degradation Strategy for Oncogenic KRASG12C. Cell Chemical Biology.

2.Santana-Codina et al., 2020. Defining and Targeting Adaptations to Oncogenic KRASG12C Inhibition Using Quantitative Temporal Proteomics. Cell Reports.


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