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JY Lab 文献学习
标 题:Farnesylation-driven KRAS phase separation promotes colon tumor growth
期 刊:Cell
通讯作者:胡颖
发表时间:2026.5.27
影响因子:42.5
1.作者简介
胡 颖
哈尔滨工业大学教授,博士生导师,生命学院院长,工信部重大慢病防控科学技术与智能装备重点实验室主任,国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。主要研究领域包括肿瘤细胞治疗抵抗分子机制及相关靶向策略研究、肿瘤微环境免疫耐受分子机制研究。
研究内容:
肿瘤细胞与免疫微环境的互作机制研究
细胞死亡分子机制研究
长链非编码RNA在肿瘤免疫调控中的作用和机制研究
代表性成果:
以通讯作者在Cancer Cell, Molecular cell, Nature Index Journal, Journal of Clinical Investigation, Proc Natl Acad Sci USA, Cell Death and Differentiation, PloS Biology 等期刊发表多篇研究性论文。
2.研究背景
RAS原癌基因编码一类小GTP酶,可在无活性的GDP结合态与活化的GTP结合态之间循环切换。结合GTP的活化型RAS是关键信号枢纽,它能够结合下游效应分子,将受体酪氨酸激酶接收的胞外信号向下传导,激活PI3K/AKT/mTOR、RAF/MAPK等多条级联信号通路,最终促进细胞增殖、侵袭转移,介导肿瘤细胞免疫逃逸。
KRAS被上游信号激活机制:可溶性配体分子(如表皮生长因子EGF、血小板衍生生长因子PDGF、成纤维细胞生长因子FGF)作为第一信使与受体结合,受体均属于受体酪氨酸激酶,受体与相应生长因子结合后发生二聚化和自身磷酸化,GRB作为接头蛋白发挥分子桥梁的功能,它通过其SH2结构域识别并结合磷酸化的活化受体;通过其SH3 结构域结合SOS(鸟嘌呤核苷酸交换因子GEF),SOS被GRB从胞质招募至膜上后,即可与膜上的KRAS相互作用,催化KRAS从GDP结合状态转换为GTP结合状态,从而激活下游。SHP2(含SH2结构域的磷酸酶)一方面促进GRB-SOS的招募,另一方面通过去磷酸化负调控分子来解除对KRAS的抑制。RAS-GRF是另一种GEF,主要在神经元中表达,受cAMP、Ca²⁺信号调控,也能激活KRAS。下游被激活的RAF‑MEK‑ERK通路促进细胞增殖、分化、存活;PI3K‑AKT‑mTOR通路促进细胞生长、代谢、存活、抗凋亡;RALGDS通路调控细胞迁移、囊泡运输、内吞;TIAM1/RAC1通路调控细胞骨架、细胞形状、迁移;PLCε通路调控磷脂酰肌醇信号。
当RAS基因发生突变,会大幅削弱自身水解GTP的催化能力,造成RAS蛋白持续异常活化。在KRAS、NRAS、HRAS三种主要亚型中,KRAS突变最为高发,可见于90%的胰腺癌、50%的结直肠癌以及30%的肺腺癌。KRAS突变以单碱基错义突变为主,98%的突变发生在第12号密码子(G12),第13号密码子(G13)和第61号密码子(Q61),主要有KRAS G12C、G12D、G12V、G13D、G12R、G12A。KRAS突变的分布随癌症类型而异,如非小细胞肺癌(NSCLC)中最常见的变异为G12C,占NSCLC中KRAS突变的40%,其次是G12V(19%)和G12D(15%),而胰腺导管腺癌(PDAC)中最常见的为G12D和G12V。
新生成的RAS在细胞质中与法尼基转移酶结合(法尼基化)。法尼基化与其他修饰的不同:一旦发生不可逆转,是所有其他修饰和膜定位的先决条件,而其他修饰大多是动态可逆的、在法尼基化基础上发挥作用。法尼基化提供必需的膜定位能力以及疏水性。
法尼基化的RAS被递送至ER, Rce1内切蛋白酶切除CAAX基序中的AAX三肽,ICMT介导羧基甲基化,K-RAS4B直接前往质膜(B是KRAS通过选择性剪接产生的外显子。人类KRAS基因包含两个可选择剪接的外显子,当mRNA包含外显子4B时,翻译出的蛋白质亚型称为K-RAS4B,K-RAS4B的mRNA表达量远高于K-RAS4A),H-RAS/N-RAS去往高尔基体发生棕榈酰化,并从囊泡转运到质膜。
既往研究认为RAS依托细胞膜启动信号传导,但活细胞荧光成像结果显示,标记荧光的RAS蛋白可在高尔基体、胞内体、细胞质等多个亚细胞结构间穿梭转运,但具体如何转运、以什么形式转运仍未可知。
KRAS的成药之路历经四十余年曲折,从1982年首次被鉴定为人类癌基因后,因蛋白表面光滑缺乏传统结合口袋而长期被冠以“不可成药”的标签。在2013年出现了转机,Shokat团队发现KRAS G12C突变体特有的Switch-II口袋,并设计出共价抑制剂将其锁定在失活的GDP结合状态,开创了靶向突变体的新范式。这一突破最终催生了2021年全球首个KRAS G12C抑制剂Sotorasib(索托拉西布)的加速批准,随后Adagrasib(阿达格拉西布)等药物相继问世。
然而,目前存在的临床问题:疗效有限、耐药迅速,获得性耐药(如继发性突变与旁路激活)迅速出现促使研发重点转向第二代“ON/OFF”双态抑制剂、泛KRAS抑制剂及靶向蛋白降解(PROTAC)等新型策略,以期实现更持久的临床获益。
HMG-CoA是3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A,是胆固醇合成途径中的一个关键中间代谢物,由乙酰辅酶A缩合生成。
它的具体药理机制是:通路起始于HMG-CoA,在HMG-CoA还原酶的催化下转化为甲羟戊酸,而这一限速步骤正是他汀的竞争性抑制靶点。甲羟戊酸经连续两步磷酸化生成异戊烯基焦磷酸(IPP),IPP可异构化为二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP),二者缩合生成香叶基焦磷酸(GPP),再经IPP的逐步加成依次生成法尼基焦磷酸(FPP,15碳) 和香叶基香叶基焦磷酸(GGPP,20碳)。FPP作为关键分支中间体,一部分进入甾醇合成途径生成胆固醇、角鲨烯、多萜醇和泛醌等重要细胞产物;另一部分则直接作为法尼基供体,通过法尼基转移酶修饰 RAS、Rheb和PTP4A3等蛋白。GGPP则由 FPP 与IPP缩合产生,作为香叶基香叶基供体,主要修饰Rho、Rac和Cdc42等蛋白。这两类异戊二烯化修饰对上述小G蛋白的膜锚定和信号功能至关重要。他汀通过抑制HMG-CoA还原酶,同时阻断FPP和GGPP的生成,从而抑制RAS的活性,这也是他汀发挥抗癌效应的关键分子基础。上图中提到的瑞舒伐他汀药物就是目前临床上常用于治疗高胆固醇血症的药物。
生物分子凝聚物的三大核心功能特性:
1.区室化:凝聚物如何将功能相关分子浓集、排除无关分子。凝聚物将参与同一生物学过程的蛋白质和RNA高度富集,这能加速生化反应、“过滤”作用避免了副反应或干扰;
2.定位:凝聚物如何锚定到细胞内的特定位置(细胞核或细胞膜)、凝聚物能够在特定的亚细胞位置发挥功能,实现空间精确调控;
3.调控:凝聚物的形成、性质和选择性分配如何被细胞调控。
影响相分离的因素:
磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等可以改变蛋白质的电荷、疏水性或多价性,从而促进或抑制相分离;
RNA既可以作为支架促进凝聚物形成,也可以作为缓冲剂抑制相分离;
不同的凝聚物吸引特定的分子。
越来越多的研究发现LLPS不再仅是基础生物学现象,更作为连接肿瘤发生机制与治疗干预的桥梁,在持续增殖信号、逃避生长抑制、免疫逃逸、无限复制潜力、肿瘤相关炎症、激活侵袭与转移、诱导血管生成、基因组不稳定与突变、抵抗细胞死亡、细胞能量代谢的去调控化中几乎都涉及液-液相分离 (LLPS)形成的生物分子凝聚物,为抗癌策略的研发提供了新的逻辑起点。
靶向相分离(LLPS)的药物研发是一个新兴领域,目前多数处于临床前及早期临床阶段,但也有老药新用如Cobimetinib (考比替尼)、他汀类药等等。此外,直接靶向相分离的小分子处于蓬勃发展中,已诞生首批进入临床试验的候选药物。以Dewpoint Therapeutics公司为例,其候选药物DPTX3186已进入临床阶段,靶向Wnt/β-catenin信号通路中的核心转录因子β-catenin,将其重新分布,使其无法启动转录,导致其调控的促癌基因表达下调,从而选择性地阻断致癌性的Wnt信号,最终杀死肿瘤细胞。该药已获得FDA授予的孤儿药资格认定(Orphan Drug Designation) 与快速通道资格(Fast Track Designation),截至2026年2月4日,该项目的Ⅰa/Ⅱa 期临床试验已完成首例受试者给药。该研究针对晚期实体瘤患者,重点聚焦胃癌适应症。
3.研究内容
一、内源性KRAS可形成凝聚体,并与结肠癌的不良预后相关
图1
研究的开端是该团队一次偶然的发现,研究团队主要聚焦于肿瘤方向的研究,在进行KRAS和结肠癌病理相关性论证中,发现结肠癌病理组织中KRAS的免疫荧光信号有显著性的上调(图1A)。但是进一步的临床相关性分析表明KRAS的表达水平与结肠癌的分期、分级、淋巴结转移以及预后情况均无明显相关性(图1B-E)。
图2
作者对数据进一步分析显示,肿瘤组织中的KRAS免疫荧光染色呈现胞质状聚集(图2A),这种聚集是否是近年来研究热门的相分离呢?是否与病理存在相关性呢?
作者从临床出发,建立对KRAS凝聚体的定量指标并探究临床病理相关性。首先,作者对含有KRAS凝聚体的阳性细胞以及单位面积内凝聚体的面积进行统计,发现二者均在肿瘤组织中显著上调(图2B)。
进行病理相关性分析后,结果显示无论是KRAS凝聚体的阳性细胞比例还是单位面积内KRAS凝聚体的数量均与结肠癌分期、分级、淋巴结转移呈现显著的相关性(图2C-E)。
最后作者又进行生存曲线的分析,发现KRAS凝聚体越多,患者的整体生存率越低,预后ROC曲线结果显示无论是KRAS凝聚体阳性细胞比例还是单位面积内凝聚体的数量均对患者预后有一个较好的预测效果(图2F,G)。同时,作者对比了使用KRAS凝聚体与现有临床肿瘤分期的金指标来预测疾病预后,KRAS凝聚体能够与临床分期互补,构建一个更好的预测模型(图2H)。
二、KRAS发生液-液相分离
图3
为了确证其是否是由于相分离产生的凝聚体,作者首先在不同结肠癌细胞中进行KRAS染色,结果显示在KRAS突变的肿瘤细胞系中凝聚体的数量明显增加(图3A,B)。
为了分析凝聚体的性质,作者进行了一个TritonX-100的细胞组分分离实验(图3C)。TritonX-100是一个表面活性剂,其能够破坏并溶解所有的脂质双分子层,释放包裹在里面的蛋白,但是无法溶解无膜凝聚体,因此作者进行温和裂解保持膜结构的完整,而后使用低速离心沉降未裂解细胞、大细胞碎片以及细胞核,再对上清中进行TritonX-100处理,共得到三个组分,作者所关注的是tritonX-100处理后的pellet1,其主要是无膜细胞器以及细胞骨架残渣。作者选用了内质网膜蛋白CNX作为可溶性组分的代表,选择了P-bodies成员DCP1B作为无膜细胞器的代表来验证方法的可行性,P1主要是无膜细胞器,而P2则是细胞中天然可溶的蛋白。结果显示可溶性蛋白CNX都在P2中,而DCP1B在P1和P2均有较多的分布(图3D,F),作者所关注的KRAS也在P2和P1中均有分布,表明其位于无膜细胞器中。
图4
随后,作者又设计了一个实验来验证KRAS形成相分离的阈值。首先其在KO细胞上过表达GFP-KRAS进行流式分选,将其表达量按照极低表达、低表达、中表达和高表达分选出四类细胞进行相分离考察,结果显示KRAS表达越高的细胞其凝聚体越多(图4G)。之后作者又使用纯化的GFP-KRAS蛋白与WB结果建立了一个标准曲线,当X=0时,蛋白浓度约为0.2242ng,换算为21nM,同时作者使用质谱技术检测出细胞中的KRAS蛋白浓度也接近21nM(图4H),这表明生理状态下KRAS即以凝聚体形式存在。
图5
接下来,作者进行了长时程颗粒考察发现,颗粒具有流动性,并比较长短轴比对颗粒进行了定性,ratio接近于1时其近圆形,大于1则是椭圆形,结果显示KRAS凝聚体具有多样性,多数呈现类圆形,但是也有一定的非球形颗粒(图5F,G),在细胞内可能是动态变化的。通过FRAP实验发现,其荧光漂白后迅速进行了荧光恢复(图5H,I),表明其发生的是液-液相分离。
图6
1,6-己二醇分子间含有6个碳原子的脂肪族碳氢长链,具有强疏水性,它能特异性地插入到蛋白质分子的疏水界面中,竞争性地阻断并破坏维持相分离的多价弱疏水相互作用,解聚液态凝聚体。它能够破坏KRAS在P1里的分布,消除胞质的KRAS相分离(图6I,J)。
体外纯化的KRAS无论是否携带荧光标签,在促拥剂的作用下均能够形成相分离(图6M),并且使用FITC替代GFP标签,KRAS仍能够发生聚集(图6N)。此外,KRAS也能够响应蛋白浓度(图6P,Q)和盐离子浓度(图6R)产生相分离。且在分子水平进行FRAP实验,仍能够观察到其荧光漂白后的恢复以及动态融合(图6T,U)。
图7
那么驱动KRAS形成液态凝聚体的关键是什么?
作者针对KRAS相分离的关键区段IDR进行预测,结果显示KRAS结尾的高变区HVR是IDR区段,而这个HVR区段是KRAS发生法尼基化的关键区段,其存在CAAX基序,能够被法尼基转移酶识别并进行后续反应,185位点的半胱氨酸则是其修饰的关键位点(图7A,B)。作者针对这些潜在的关键区段进行考察,结果显示HVR区段截断、CAAX基序截断以及185位点突变均能够抑制相分离(图7C,D)。同时,作者也针对HVR区段的每个氨基酸进行了突变(图7E),结果显示仅有185能够显著影响相分离。
图8
185作为KRAS法尼基化的关键位点,那是否法尼基化是其相分离的关键呢?
作者探究发现,使用法尼基化转移酶抑制剂能够显著抑制相分离,而使其下游负责切割AAX基序的RCE1敲低或者使用负责甲酯化的ICMT抑制剂均对KRAS的相分离无明显影响(图8G-I),表明KRAS的法尼基化对其相分离是关键的。
图9
KRAS-C185突变干扰其相分离,法尼基化转移酶抑制剂干扰KRAS相分离,RCE1敲低以及ICMT抑制剂不影响KRAS相分离,KRAS相分离依赖于法尼基化增加的疏水性,疏水性是驱动蛋白相分离的共性规律,这是先前实验得出的结果,那么KRAS凝聚体的功能是什么?
KRAS中的半胱氨酸-缬氨酸-异亮氨酸-甲硫氨酸(CVIM)基序易发生法尼基化,而半胱氨酸-半胱氨酸-异亮氨酸-亮氨酸(CCIL)基序则主要被香叶基香叶基化修饰。值得注意的是,将 CVIM 替换为 CCIL 的突变仍能有效诱导KRAS凝聚(图9F)。UCSF ChimeraX分析表明,这两种修饰均能赋予KRAS及其 CCIL 形式表面残基疏水性(图9J)。
为验证疏水性驱动相分离的假设,研究者设计了疏水性梯度实验:将不同脂质修饰的膜定位信号肽融合到GFP上,观察其相分离能力。结果显示:Lyn(肉豆蔻酰化+棕榈酰化,双脂锚定,极高疏水性) 和GAP43(棕榈酰化,中等疏水性) 均能形成凝聚体,而MARCK(肉豆蔻酰化,低疏水性) 和CDC42-HVR(香叶基香叶基化,20碳超长链,极强疏水性) 也能形成凝聚体(图9K-L、G)。进一步用其中一种疏水性酰化修饰结构域——Lyn(1-10)疏水基序替换了KRAS中的法尼基化基序(CVIM),该基序同样能够激活KRAS的PS活性(图9M)。这些数据表明,法尼基的疏水性可能是驱动KRAS PS活性的关键因素。该结果表明:疏水性是驱动蛋白质相分离的共性物理规律,引入足够强的疏水基团足以驱动GFP等非相分离蛋白发生液-液相分离。
三、KRAS凝聚体促进KRAS蛋白的加工与转运
KRAS-C185突变干扰其相分离,法尼基化转移酶抑制剂干扰KRAS相分离,RCE1敲低以及ICMT抑制剂不影响KRAS相分离,KRAS相分离依赖于法尼基化增加的疏水性,疏水性是驱动蛋白相分离的共性规律,这是先前实验得出的结果,那么KRAS凝聚体的功能是什么?
图10
研究者利用EGF(表皮生长因子) 刺激LoVo细胞,在多个时间点检测KRAS的动态分布变化。结果显示总KRAS水平在EGF刺激后0-60分钟内保持恒定(图10A)。ER组分分离显示KRAS在10分钟开始富集,15分钟达峰值(图10B)。膜组分显示KRAS在15分钟开始富集,30分钟达峰值(图10C)。关键发现来自凝聚体(P1不溶组分)分析:KRAS在5分钟即开始增加,15分钟达到峰值(图10D)。免疫荧光染色直观显示EGF刺激后KRAS凝聚体的数量和面积均显著增加(图10E)。将以上数据整合于同一时间轴进行对比,清晰呈现时序关系:KRAS凝聚体的增加(5 min)早于其在内质网的富集(10 min)和质膜的富集(15 min)(图10F)。
KRAS能够响应EGF的信号引发下游的ERK磷酸化是癌症中的经典通路,其依赖于其KRAS法尼基化后到质膜上进行信号传导。可见在EGF短时间刺激后,ERK的磷酸化明显增加,并且伴随着KRAS在法尼基化的过程中先到内质网膜上被切割后到质膜上发挥作用的,这过程KRAS的凝聚体也在持续增加,这些信号还有时间促发,可见ERK磷酸化和KRAS凝聚体最先响应,伴随着KRAS在内质网膜上的增肌,随后ERK的磷酸化伴随质膜上KRAS的增加而同步增加,其一定程度表明了KRAS凝聚体参与了EGF的信号传导过程,KRAS相分离是EGF信号传导的早期响应事件,可能作为上游信号促进后续KRAS向ER和质膜的加工转运。
图11
研究者使用1,6-己二醇(相分离破坏剂)处理细胞,检验KRAS响应EGF是否依赖于相分离能力。结果显示:对照组中EGF刺激可诱导KRAS在ER的富集(10-15 min);而1,6-己二醇处理组中,EGF诱导的ER富集被显著抑制(图11B左)。定量分析证实了该差异的统计学显著性(图11B右)。图11C进一步显示:1,6-己二醇处理不仅破坏KRAS凝聚体(P1组分减少),还抑制了EGF诱导的ERK磷酸化(pERK),同时质膜KRAS富集也减少。pERK是MAPK通路活化的直接标志,其下降表明KRAS信号传导受阻。该组实验结果证明:EGF诱导的KRAS信号激活需要完整的相分离能力相分离被破坏后,KRAS无法有效转运至ER和质膜,MAPK信号通路无法正常激活。
图12
为探究EGF刺激引发的KRAS凝聚体的变化,作者进行了IP质谱分析,使用流式分选区分KRAS凝聚体和游离态。FACS 技术分选GFP-KRAS凝聚体颗粒(图12G),GO富集分析显示,EGF刺激后KRAS凝聚体内上调的差异蛋白主要富集于内质网膜相关功能(图12H)。散点图中,每个点代表一种差异蛋白,红点表示上调(Ratio>2),蓝点表示下调(Ratio<0.5),RCE1(负责切除KRAS CAAX基序的内切蛋白酶)是上调最显著的蛋白之一(图12I)。由组分分析结果可以得出:EGF引起KRAS凝聚体内变化蛋白主要富集于内质网,其中就有法尼基化中的切割蛋白RCE1。
图13
免疫共沉淀实验证实:从分选的GFP-KRAS凝聚体中免疫沉淀KRAS,可检测到RCE1的共沉淀,且该结合随EGF处理时间(0-30 min)增加而增强,同时pERK水平也随时间上升(图13J)。在非凝聚体组分中,KRAS-RCE1的结合相对较弱且不随EGF变化(图13K)。SIM超分辨成像进一步显示RCE1与KRAS在凝聚体中共定位(图13L)。对于聚集成分和非聚集成分,可见KRAS在聚集成分受到EGF刺激后与RCE1的互作明显增加,而在非聚集成分中则无明显变化。综上,KRAS凝聚体通过空间区室化将KRAS与加工酶RCE1局部浓集,促进KRAS的成熟加工。
图14
KRAS表达下调可抑制 EGF 诱导的RCE1聚集(图14M)。
研究者通过构建一系列KRAS功能突变体,系统解析相分离与信号传导的因果关系。他们比较了四种KRAS构建体(图14N):
FL(全长野生型):具备相分离、膜定位和效应器结合全部功能,pERK和pAKT显著升高
ΔHVR:缺失HVR区,既不能相分离也不能膜定位,pERK/pAKT无升高
C185S:法尼基化位点突变,既不能相分离也不能膜定位,pERK/pAKT无升高
HVR:仅含HVR区,无GTPase结构域,具备相分离和膜定位,但无效应器结合功能,pERK/pAKT无升高
与其他突变体或 GFP 对照组相比,FL KRAS能显著增强pERK活性,且未改变ERK总表达量。
Lyn-KRAS ΔHVR突变体(用Lyn的膜定位信号替换HVR→具备相分离和膜定位能力,但缺少与RCE1相互作用的序列)能部分恢复ERK磷酸化,较ΔHVR显著升高,但仍低于WT(图14O)。这证明相分离+膜定位是信号传导的必要条件,而完整的效应器结合结构域则是充分条件。综上数据:KRAS相分离和随后的膜定位对其信号传导功能至关重要,两者缺一不可。
四、部分他汀类药物可抑制KRAS凝聚体的形成
KRAS响应EGF信号发生相分离,响应EGF信号依赖其相分离能力(可被1,6-己二醇干预),且EGF引起KRAS凝聚体内变化蛋白主要富集于内质网膜,介导RCE1成簇分布,同时研究者探索出KRAS相分离和膜定位对其信号传导至关重要,那么KRAS凝聚体能够被干预吗?是否能找到一种能够破坏KRAS LLPS的化学制剂?
图15
为此,研究者筛选了包含747种FDA批准的小分子药物库(基于其临床应用潜力),在该库中仅他汀类药物——特别是瑞舒伐他汀、阿托伐他汀、辛伐他汀和匹伐他汀——被证实能完全消除KRAS的 LLPS(图15上A)。四种他汀在0、1、5、10、20 μM梯度处理下,匹伐他汀(Pitavastatin)和辛伐他汀(Simvastatin) 在低浓度(1-5 μM)即几乎完全清除凝聚体;阿托伐他汀(Atorvastatin) 需要较高浓度(10-20 μM);瑞舒伐他汀(Rosuvastatin) 即使在20 μM也仅部分抑制(图15B)。这一效价梯度与他汀的亲脂性排序完全一致,亲脂性越强(匹伐他汀≈辛伐他汀 > 阿托伐他汀 >> 瑞舒伐他汀),越易穿透细胞膜进入细胞,对HMGCR的抑制越强,进而更有效减少GGPP供应。但是两种他汀类药物无作用,如喷司他汀和西司他汀(图15下A)。该结果提示:破坏KRAS凝聚体可能是他汀类药物抗肿瘤效应的新机制。
图16
已知HMGCR催化HMG-CoA生成甲羟戊酸(MVA) ,其下游甲羟戊酸通路进一步产生FPP、GGPP等异戊二烯焦磷酸中间体(图16左C)。其中,FPP是KRAS法尼基化的直接供体,而GGPP主要参与蛋白质香叶基香叶基化。为验证匹伐他汀破坏KRAS凝聚体依赖甲羟戊酸通路,研究者进行了代谢物回补实验。活细胞成像及定量结果显示,匹伐他汀单独处理几乎完全清除GFP-KRAS凝聚体,而补充MVA可绕过HMGCR抑制,恢复下游异戊二烯代谢物供应,从而恢复KRAS凝聚体形成。值得注意的是,GGPP回补同样能够恢复KRAS凝聚体(图16D),提示恢复下游脂质修饰相关代谢能力可抵消匹伐他汀的抑制作用。WB结果进一步显示,匹伐他汀显著降低法尼基化KRAS水平,而加入MVA或GGPP后,法尼基化KRAS信号恢复至接近对照水平(图16右B,C)。
上述实验结果表明,他汀类药物的靶点是HMGCR,其是法尼基化供体的上游,抑制HMGCR导致法尼基化降低从而抑制KRAS相分离,但在抑制HMGCR的基础上(匹伐他汀处理)补充下游代谢物MVA和GGPP能够恢复KRAS的法尼基化从而恢复相分离能力,表明恢复KRAS法尼基化能够阻断他汀类药物对凝聚体的干扰。
图17
研究者进一步检测匹伐他汀对动态信号响应的影响。在无匹伐他汀条件下,EGF刺激(100 ng/mL,15 min)可诱导KRAS凝聚体数量显著增加;经匹伐他汀(5 μM,24 h)预处理后,基础凝聚体水平已大幅降低,EGF诱导的额外凝聚体形成也被完全抑制Pitavastatin+EGF组与Pitavastatin组无显著差异(图17E)。EGF刺激可诱导KRAS向质膜富集(表现为膜上绿色荧光信号增强,匹伐他汀预处理后,KRAS的质膜定位信号显著减弱,且EGF诱导的膜富集效应被消除(图17F)。该结果说明,他汀不仅能破坏基础状态下KRAS凝聚体的稳态,还能阻断生长因子刺激诱导的动态凝聚体形成和膜转运,从而有效抑制KRAS信号通路的激活过程。
五、抑制KRAS凝聚体的形成可抑制肿瘤生长
由于KRAS是一个重要的肿瘤驱动基因,于是研究者们继续探究KRAS相分离能够影响肿瘤发生发展。
图18
研究者从多个层面验证KRAS相分离对肿瘤生长的驱动作用。首先在体外细胞水平进行MTT实验,在KRAS敲除(KO)的HCT116细胞中,回补WT KRAS可完全恢复细胞增殖能力(与亲本细胞相当);回补ΔHVR(相分离/膜定位双缺陷)的细胞增殖率与KO细胞相当,无法恢复;而回补Lyn-KRAS ΔHVR(具备相分离+膜定位能力)的细胞增殖得到显著恢复(图18B)。结晶紫染色实验结果呈现一致趋势(图18C)。在异体移植小鼠体内模型中:WT KRAS和Lyn-KRAS ΔHVR组形成较大的皮下肿瘤,ΔHVR组肿瘤体积显著缩小(图18A,B,C),同一实验,作者在异体移植的肿瘤内观察到KRAS凝聚体的变化(图E,F)。由实验结果可得出,KRAS相分离是驱动体内外肿瘤增殖的关键因素,相分离缺失直接导致肿瘤生长受阻。
图19
研究者构建KRAS G12C(激活性突变)和G12C/C185S(激活性突变+法尼基化/相分离双缺陷)突变体并进行功能对比。MTT实验显示G12C突变有效恢复癌细胞增殖,而G12C/C185S无法恢复(图19E)。G12C可恢复pERK和pAKT水平,G12C/C185S不能(图19F)。异体移植模型显示,G12C组肿瘤快速生长,G12C/C185S组肿瘤显著缩小(体积减小约70%)(图19G-I)。
APCmin/+ 小鼠是经典的结直肠癌遗传模型,小鼠体内的Apc基因发生了突变(Min:Multiple Intestinal Neoplasia,即多发性肠道肿瘤)。由于Apc缺失,小鼠肠道会自发产生大量腺瘤,非常接近人类结直肠癌的早期演变过程。在APC^(min/+) 小鼠结肠类器官模型中,G12C突变促进类器官形成大型囊泡状结构,而G12C/C185S突变产生的类器官明显较小(图19K)。 为了进一步区分“法尼基化”本身与“凝聚体形成”对KRAS致癌功能的贡献,研究者构建了DnaJB1-KRAS G12C融合蛋白。DnaJB1是一种可干扰蛋白凝聚体形成的分子伴侣相关结构域;将其融合到KRAS G12C后,并未明显降低KRAS的法尼基化水平,但显著削弱了KRAS凝聚体形成能力(图19M,N)。功能实验显示,与KRAS G12C相比,DnaJB1-KRAS G12C诱导细胞增殖、类器官生长和异种移植瘤生长的能力均明显下降(图19O,P,R)。这一结果说明,仅有KRAS G12C激活性突变和法尼基化修饰并不足以完全解释其促肿瘤作用;法尼基化驱动的凝聚体形成同样是KRAS促进肿瘤生长的重要环节。
图20
此外,研究者进一步在体内验证匹伐他汀抑制肿瘤生长是否依赖于KRAS凝聚体/膜定位这一机制。结果显示,匹伐他汀可显著抑制结肠癌异种移植瘤生长,而补充MVA和GGPP后,其抑瘤作用明显减弱,提示该效应与甲羟戊酸通路下游脂质修饰受抑有关。另一方面,研究者回补具有凝聚体形成和膜定位能力的Lyn-KRAS ΔHVR后,匹伐他汀对肿瘤生长、pERK和Ki-67表达的抑制作用被部分抵消,KRAS凝聚体减少的现象也相应减弱(图20G–L)。这些结果说明,KRAS凝聚体形成及其质膜定位是KRAS驱动结肠癌生长的重要环节;匹伐他汀正是通过干扰这一过程,从而发挥抑制肿瘤生长的作用。
六、抑制KRAS凝聚可增强结肠癌对G12Ci的治疗反应
KRAS G12Ci耐药性与RAS信号通路的重新激活相关。鉴于KRAS凝聚体在调控KRAS信号传导中的关键作用,研究者进一步探究KRAS凝聚体是否影响癌细胞对G12C的耐药性?
图21
AMG 510 (Sotorasib)是首个获批上市的KRAS G12C抑制剂,可与KRAS G12C突变蛋白第12位半胱氨酸发生共价结合,将其稳定在非活性的GDP结合状态,从而抑制KRAS下游致癌信号通路。AMG510虽然能有效干预肿瘤生长,但是其也存在较大的耐药性问题。因此研究者进行患者KRAS G12C肠癌组织异体移植,进行六个循环,持续九个月的给药建立耐药小鼠模型。耐药模型的建立策略:将KRAS G12C突变患者来源的肿瘤组织移植到NSG小鼠,经6轮约9个月的AMG 510给药-停药-再给药循环,筛选出对AMG 510不再响应的耐药株(图21左),后续进行他汀和AMG510给药。他汀、AMG510以及联合给药均能抑制未耐药小鼠的肿瘤生长。AMG510对耐药小鼠已经基本无作用,但是单独他汀给药能明显抑制肿瘤,他汀联合AMG510给药则有更强的抑制作用(图21B-D)。小鼠组织的KRAS染色也能观察到其对KRAS凝聚体的干扰作用(图21H,I),以及对下游信号传导的抑制(图21F)。
图22
此外,作者在耐药小鼠模型上进行KRAS的敲低,也能观察到肿瘤进展的抑制,与基于KRAS相分离抑制剂有类似的效果(图22A-D)。之后,研究者进行KRAS激活突变体及其相分离和膜定位能力丧失突变体的异体移植瘤上进行AMG510的给药,发现其能够进一步抑制肿瘤生长,起到1+1>2的效果。这些数据进一步证实,靶向抑制KRAS凝聚是增强KRAS抑制剂疗效的潜在策略。
4.总结
本研究通过系统的实验设计,形成了从临床观察到机制阐明再到转化应用的完整科学链条:
现象:KRAS在结肠癌组织中形成细胞质凝聚体,其水平与晚期肿瘤、淋巴结转移和不良预后相关。这一发现将研究关注点从“KRAS表达量”转向“KRAS空间分布状态”。
机制:KRAS的LLPS由其高变区C185位的法尼基化修饰驱动。法尼基化引入的15碳疏水脂质链是相分离的直接物理驱动力,疏水性强弱与相分离能力呈正相关。
功能:KRAS凝聚体通过招募RCE1到内质网促进KRAS的成熟加工和膜转运,是KRAS信号传导的关键平台——相分离和膜定位对KRAS激活下游MAPK信号缺一不可。
应用:FDA药物筛选发现他汀可靶向破坏KRAS相分离,单独使用或与G12Ci联用均可抑制肿瘤生长,并能有效克服G12Ci耐药,为临床联合治疗提供了新策略。
END
供稿丨黄依丹 林冬冬
编辑丨耿若楠 吴谨
审核丨史鸿路