前言

癌基因KRAS是RAS基因亞家族的一員，RAS基因通常在人類癌癥中發(fā)生突變，包括肺腺癌。RAS基因編碼膜定位的G蛋白，是幾個(gè)信號(hào)級(jí)聯(lián)的組成部分，包括Raf-MEK-ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。KRAS引起的代謝變化被認(rèn)為在癌癥的增殖和存活中起著至關(guān)重要的作用，但KRAS對(duì)肺腺癌脂肪生成的調(diào)控作用尚不明確。MSI作為一種工具已經(jīng)被廣泛研究，它可以將癌組織與正常組織區(qū)分開(kāi)來(lái)，并對(duì)各種腫瘤進(jìn)行分類。在本研究中，作者使用解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像(DESI-MSI)分析kras驅(qū)動(dòng)的肺代謝，并結(jié)合基因表達(dá)分析、納米級(jí)蛋白質(zhì)組學(xué)和MSI分析來(lái)研究肺癌中KRAS突變和脂質(zhì)特征之間的關(guān)系。證實(shí)了用治療劑阻斷FASN可以防止kras相關(guān)的肺癌細(xì)胞增殖。

本篇來(lái)自于美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系Dean W. Felsher教授課題組在PNAS 期刊（IF:12.779）發(fā)表的題為“Oncogene KRAS activates fatty acid synthase, resulting inspecific ERK and lipid signatures associated with lung adenocarcinoma”的研究成果，通過(guò)空間代謝組學(xué)（DESI-MSI技術(shù)）、蛋白質(zhì)組學(xué)研究方法，確定了脂肪生成的具體變化和特定的脂類。

研究思路

研究結(jié)果

1.KRAS誘導(dǎo)小鼠和人肺腺癌脂肪生成

利用Tet系統(tǒng)在小鼠肺上皮中有條件地表達(dá)KRAS基因突變，導(dǎo)致肺腺癌。作者檢測(cè)了169個(gè)微陣列探針識(shí)別的13種代謝途徑，這些腫瘤的基因表達(dá)分析顯示許多代謝基因的表達(dá)增加。作者發(fā)現(xiàn)FA合成途徑中的大部分基因都位于差異表達(dá)前15位的基因中(圖1B)。在被誘導(dǎo)的脂肪生成基因中，作者注意到三個(gè)特別重要的基因。FASN是FA合成的調(diào)控位點(diǎn)，SCD是該通路中的最后一個(gè)酶)(圖1C)。SREBP是一種轉(zhuǎn)錄因子，可誘導(dǎo)FA、甲戊二酸和膽固醇合成相關(guān)基因(26,27)。通過(guò)定量PCR (qPCR)確認(rèn)FASN、SCD和SREBP的誘導(dǎo)(圖1C)。因此，KRAS可誘導(dǎo)小鼠肺腺癌中的脂肪生成途徑。

接下來(lái)，在kras陽(yáng)性或陰性的人肺腺癌中檢測(cè)脂肪生成相關(guān)基因。kras陽(yáng)性和陰性腫瘤都過(guò)表達(dá)脂肪生成基因(圖2)。這種過(guò)表達(dá)可能反映了高增殖細(xì)胞中FA合成的必要性。SREBP在kras陰性腫瘤中升高較多，而SCD在kras陽(yáng)性腫瘤中升高較多。FASN在兩方面都被高度上調(diào)。因此，在人kras相關(guān)肺腺癌中觀察到脂肪生成基因的誘導(dǎo)。

圖1 | kras誘導(dǎo)的小鼠肺癌中的脂肪生成

圖2 | 相對(duì)mRNA表達(dá)量

2.kras陽(yáng)性與陰性腫瘤表現(xiàn)出獨(dú)特的ERK蛋白特征

KRAS陽(yáng)性和陰性的肺腫瘤表現(xiàn)為ERK2和ERK1的激活(圖3 A和B)。與匹配的正常肺組織相比，KRAS陽(yáng)性的腫瘤表現(xiàn)為pERK2a、pERK2b和ERK2的增加，而KRAS陰性的腫瘤表現(xiàn)出ppERK1的增加和ERK1水平的降低(圖3 C和D)。因此，作者實(shí)現(xiàn)了KRAS對(duì)各種ERK磷酸異型的不同激活之間的區(qū)別。這證實(shí)了KRAS誘導(dǎo)ERK的先前觀察結(jié)果。

圖3 | NIA ERK蛋白特征

(A)正常vs.人類KRAS相關(guān)肺癌組織(n = 6)；

(B)正常vs.人類非KRAS肺癌組織(n = 6)，以及(C) KRAS腫瘤和(D)非KRAS腫瘤中總ERK的百分比。* P值經(jīng)t檢驗(yàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P<0.05。** P值經(jīng)t檢驗(yàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P<0.01。

3.kras陽(yáng)性腫瘤表現(xiàn)出獨(dú)特的脂質(zhì)譜

在kras陽(yáng)性的小鼠和人肺腺癌上進(jìn)行空間代謝組學(xué)DESI-MSI檢測(cè)(圖S1)。從含有KRAS條件激活系統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因小鼠模型中收獲組織(圖S2)。作者展示了kras誘導(dǎo)的肺腺癌組織樣本和對(duì)照正常肺組織的組織樣本的代表性質(zhì)譜和選定的2D離子圖像(圖4和圖S3)。從kras誘導(dǎo)的肺腺癌樣本的二維離子圖像(圖4A)中可以看到，在腫瘤組織切片的特定區(qū)域可見(jiàn)高相對(duì)強(qiáng)度的脂離子。經(jīng)H&Estained 染色的鄰近組織切片的組織病理學(xué)評(píng)估證實(shí)，高脂質(zhì)強(qiáng)度區(qū)域與腫瘤細(xì)胞聚集區(qū)域密切相關(guān)(圖S3)。從這些腫瘤區(qū)域提取的DESI質(zhì)譜與正常肺組織的質(zhì)譜相比有差異(圖4B)。研究結(jié)果表明，KRAS誘導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)表達(dá)，包括FAs和磷脂，并與不同于正常肺組織的脂質(zhì)譜相關(guān)。

圖4 | 脂質(zhì)DESI質(zhì)譜:小鼠腫瘤病灶(上)與正常小鼠肺組織的脂質(zhì)過(guò)表達(dá)圖像(下)

4.肺癌細(xì)胞增殖需要kras相關(guān)的FASN誘導(dǎo)

以人肺腺癌相關(guān)細(xì)胞系A(chǔ)549和H1299細(xì)胞為kras陽(yáng)性對(duì)照。由于作者之前發(fā)現(xiàn)KRAS激活ERK和FA合成基因，作者將ERK抑制劑SCH772984應(yīng)用于這兩種細(xì)胞系，并發(fā)現(xiàn)FASN和SCD受到抑制(圖5A)。此外，使用S-trans,transfarnesylthiosalicylic acid (FTS)抑制KRAS可以通過(guò)qPCR檢測(cè)，以劑量依賴性的方式降低FASN和SCD的基因表達(dá)(圖5B)。最后，通過(guò)碘化丙醇法和血細(xì)胞計(jì)測(cè)定，藍(lán)藻素治療KRAS突變的人肺腺癌細(xì)胞系A(chǔ)549和H1299導(dǎo)致增殖下降(圖6)。因此，抑制FASN可能是KRAS相關(guān)肺腫瘤的一種潛在治療方法。

圖5 | FASN和SCD對(duì)(A) ERK抑制的相對(duì)mRNA表達(dá)SCH772984 (n = 3)和(B) FTS對(duì)人肺癌細(xì)胞系KRAS的抑制(n = 3)。*P值< 0.05。**P值< 0.01。

相關(guān)討論

研究通過(guò)qPCR檢測(cè)的FASN基因表達(dá)，識(shí)別出NIA的ERK1磷酸異型的存在。KRAS與FTS的抑制阻斷FASN表達(dá)，導(dǎo)致脂肪生成減少。研究確定了kras陽(yáng)性肺腺癌的獨(dú)特基因表達(dá)以及蛋白質(zhì)組學(xué)和脂質(zhì)特征，并猜測(cè)KRAS基因在因果上控制脂肪生成。研究結(jié)果表明，該信號(hào)通過(guò)誘導(dǎo)FASN誘導(dǎo)脂肪生成，并由ERK介導(dǎo)。通過(guò)NIA, ERK1和ERK2蛋白激活能夠在臨床標(biāo)本中區(qū)分kras陽(yáng)性和陰性腫瘤。因此，kras誘導(dǎo)的肺腺癌可能對(duì)FASN的靶向治療抑制特別敏感。這需要更多的臨床工作來(lái)驗(yàn)證這一假設(shè)。

研究結(jié)論

研究利用轉(zhuǎn)基因小鼠和人肺標(biāo)本研究了癌基因KRAS基因突變誘導(dǎo)的肺腫瘤?；虮磉_(dá)分析表明KRAS可誘導(dǎo)脂肪酸合成酶(FASN)，促進(jìn)脂肪生成。通過(guò)解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像空間代謝組學(xué)，發(fā)現(xiàn)KRAS肺腺癌中有特異性脂質(zhì)修飾。納米免疫分析鑒定了kras相關(guān)的特異性磷蛋白特征。KRAS能激活ERK2蛋白，而非KRAS肺腺癌顯示ERK1升高。通過(guò)一種小分子——藍(lán)蛋白來(lái)抑制FASN，這種抑制阻止了kras驅(qū)動(dòng)的肺癌細(xì)胞的增殖。因此，F(xiàn)ASN抑制劑可能為kras相關(guān)肺腺癌的治療提供了有前途的治療藥物。

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肺腺癌（ lung adenocarcinoma ）是肺癌的一種，屬于非小細(xì)胞癌。雖然已經(jīng)有多種免疫療法已經(jīng)EGFR靶向治療藥物在臨床上使用，但是療效欠佳。文章利用空間代謝組學(xué)+蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)KRAS激活了脂肪生成，并且這種激活導(dǎo)致了不同的蛋白質(zhì)組學(xué)和脂質(zhì)特征。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)KRAS與脂肪生成基因特征和脂肪酸合成酶(FASN)特異性誘導(dǎo)相關(guān)。證實(shí)了FASN可能是kras相關(guān)肺腺癌治療的一個(gè)獨(dú)特靶點(diǎn)。為肺腺癌的新藥研究提供了新的思路。

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