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药物研究新思路,Nat Comm:磷酸化组揭秘骨髓瘤治疗新策略

发布时间: 2020-05-29
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多发性骨髓瘤( multiple myeloma,MM)是我国血液系统第二位常见恶性肿瘤。随着蛋白酶体抑制剂(PI)和免疫抑制剂的广泛应用,MM患者的缓解时间和生存期逐渐延长,然而患者最终仍将复发或进展,目前仍无法彻底治愈。蛋白酶体抑制剂已经成为MM治疗的主要方法,研究蛋白酶体抑制剂治疗的可能细胞机制对于MM的临床用药意义重大。

2020年4月22日,国际专业学术期刊Nature Communications上发表了PIs药物机制的最新成果。美国加州大学旧金山分校的Arun Wiita团队运用磷酸化修饰组学技术,比较了在有或没有蛋白酶体抑制剂(PI)的情况下蛋白磷酸化修饰组的差异。研究发现了新的PI作用机制:除了能够通过抑制蛋白降解破坏细胞内蛋白质稳态,还能够通过磷酸化修饰RNA剪切体来生成不同功能蛋白。直接靶向抑制剪切体(spliceosome)显示出强大的抗肿瘤活性,为治疗骨髓瘤提供了新的思路和策略。

药物研究新思路,Nat Comm:磷酸化组揭秘骨髓瘤治疗新策略

1、Cfz导致的磷酸化修饰参与RNA剪接调控

Carfilzomib(Cfz)是一种环氧酮蛋白酶体抑制剂,临床上广泛用于治疗复发难治性多发性骨髓瘤。研究人员首先运用label-free磷酸化蛋白组学(质谱策略)、与转录组学检测Cfz处理24h后MM.1s多发性骨髓瘤细胞(样本策略)的变化。研究定量到5791个磷酸化位点,99%的磷酸化位点发生在Ser或Thr。研究者惊讶的发现,与处理前相比,Pre-mRNA剪接相关的蛋白质中磷酸化差异最显著,包括异质核糖核蛋白(HNRNP)家族以及SRSF剪接因子。GO富集分析进一步表明,Cfz导致的磷酸化修饰主要参与RNA剪接调控和mRNA处理。

药物研究新思路,Nat Comm:磷酸化组揭秘骨髓瘤治疗新策略

图1、PI处理导致剪接因子磷酸化

先前研究表明PIs能引起强烈的热休克反应,而单纯的热休克可以造成剪接损伤并诱导内含子保留(intron retention,IR),而不会广泛影响其他剪接事件,因此研究人员猜测暴露于PI的MM细胞可能存在类似的剪接损伤。结果表明在Cfz处理后,包括SRSF蛋白在内的多个剪接因子同时发生磷酸化,造成内含子保留。剪接因子SRSF1在富含精氨酸和丝氨酸的RS1和RS2结构域内表现出上调的磷酸化,减弱了剪接体(spliceosome)的相互作用。

药物研究新思路,Nat Comm:磷酸化组揭秘骨髓瘤治疗新策略

图2、PI处理上调剪接因子磷酸化,造成内含子保留

2、靶向剪接体表现出高效的抗癌能力

基于PIs与剪接干扰之间的关联,研究者选择剪接体靶向药物E7107,进一步探讨了靶向剪接体在骨髓瘤治疗中潜力。E7107的体内体外实验和与CFz的联合用药实验证实了E7107高效的抗癌能力。结果强调了剪接抑制作为MM治疗策略,尤其是在PIs难以治疗的疾病中的临床应用潜力。

药物研究新思路,Nat Comm:磷酸化组揭秘骨髓瘤治疗新策略

图3、抑制剪接体是骨髓瘤一种有前途的治疗策略

3、癌症治疗药物可诱导相似但不完全相同的磷酸化修饰改变

那么这种广泛的剪接因子磷酸化信号改变是否是蛋白酶体抑制剂所特有的?作者选择了临床上同样用于治疗多发性骨髓瘤的化学药物:Melphalan进行研究。磷酸化修饰组学结果表明与Cfz相比,尽管Melphalan的抗癌原理不同(melfalan诱导DNA损伤,而Cfz诱导蛋白毒性应激反应),但同样能够诱导RNA剪接相关蛋白的磷酸化改变,不过两者诱导的磷酸化蛋白种类略有差异。说明药物诱导的应激可能广泛地导致剪接因子的磷酸化,并且其磷酸化调控模式可能因药物特定的作用方式而不同。

药物研究新思路,Nat Comm:磷酸化组揭秘骨髓瘤治疗新策略

图4、 Melphalan可诱导相似但不完全相同的磷酸化修饰改变

综上所述,研究者首先运用磷酸化修饰组学技术针对PIs的作用机制展开研究,发现了以往基因组学研究未能发现的新机制。进而通过靶向药物E7107,进一步探讨了靶向剪接体的强大抗肿瘤活性。研究成果为靶向剪接体的疗法提供了理论依据,强调了靶向剪接体可能作为MM的一种治疗策略,尤其是在PIs难以治疗的疾病中的广阔应用潜力。

值得一提的是,药物作用机制研究“套路”很常见,但结合新技术:如修饰蛋白质组学等能够在传统套路上“玩出新花样”,如分析Kras靶向疗法耐药性(Cell Reports, 2020)、揭示药物受体信号通路(Science,2018)、破解癌症药物副作用机制(The EMBO Journal,2018)等。本文的研究结果证明了磷酸化修饰在抑癌药物作用机制中的普遍性和特异性,提示我们可以从翻译后修饰角度去解析药物作用机制,为抑癌药物作用机理、和癌症治疗策略研究提供了新的思路。

作者

简介

药物研究新思路,Nat Comm:磷酸化组揭秘骨髓瘤治疗新策略

Dr. Arun P. Wiita

Arun Wiita, 2002年获得普林斯顿大学学士学位;2009年从哥伦比亚大学获得医药和生物物理双博士学位;2012-2014年在加州大学旧金山分校进行博士后研究;2014年-至今在美国加州大学旧金山分校担任助理教授。曾获得包括达蒙·鲁尼恩癌症研究基金(Damon Runyon Cancer Foundation) 、珍妮特罗利纪念医学研究奖(Janet Rowley Memorial Medical Research Award)等奖项。

Arun Wiita主要的研究领域是使用定量蛋白质组学等技术来回答骨髓瘤和B细胞白血病中的重要生物学问题,同时系统地研究癌症治疗后相关基因的转录调控的改变和蛋白质组层面的变化,尝试从中找到生物标记物,用于治疗效果的临床检测。

参考文献

Hector H. Huan, et al. Proteasome inhibitor-induced modulation reveals the spliceosome as a specific therapeutic vulnerability in multiple myeloma. Nature Communications.

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