Cell | 高通量筛选癌症特有蛋白相互作用

原创 风不止步 图灵基因 2022-05-27 13:15 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学机制

撰文：风不止步

IF=41.582 

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亮点：

泛癌症分析揭示广泛的驱动突变导向的蛋白质-蛋白质相互作用，为变异体介导的致癌程序和精准医疗的治疗方法提供信息。

2022年5月4日，美籍华裔傅海安博士等人在《Cell》上发表了一篇“Systematic discovery of mutation-directed neo-protein-protein interactions in cancer”的文章，文章用定量高通量差异化筛选（qHT-dS）平台来识别普遍存在的变异启用的新形态蛋白质-蛋白质相互作用（neoPPI）。将高灵敏度的BRET生物传感器与超HTS格式的小型化联合表达结合起来，可监测野生型和突变型变体与活细胞中的癌症相关蛋白库的相互作用。癌症基因组的改变可以产生新的互动，为精准医疗的变体定向治疗方法提供信息。

基因组突变数据提供一个结构框架来推断功能意义，并提出潜在的癌症驱动基因和治疗目标。然而，不同的驱动基因突变，甚至是同一癌症基因中的突变，在功能上可能是不同且有不同的临床意义。因此，将这些癌症突变信息转化为突变氨基酸水平的治疗，既是一个前所未有的挑战，也是识别突变位点特异性目标、生物标志物和治疗漏洞的机会。

图1：qHT-dS平台系统差异PPI发现示意图

有些突变是在驱动基因中发现的，但大多数突变位于与已知药物没有直接联系的基因中，或位于编码"不可药用"的基因中，如适应蛋白或肿瘤抑制因子。这些"不可药用"的蛋白质主要是通过蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络与其他细胞成分相互作用来发挥其功能。因此，了解癌症驱动基因突变如何通过改变的PPI整合到细胞信号网络中，可能会导致潜在的通路扰动策略，以达到癌症基因组的"不可药用"空间（图1）。

图2：qHT-dS平台性能评估

错义突变是导致肿瘤发生的常见基因改变方式。突变体（MUT）等位基因可能在编码的蛋白质上产生新表位。这些新表位也可能产生对接位点以诱发新的相互作用，或作为障碍物削弱现有的相互作用。这种新表位触发的差异性PPI（Df-PPI）决定重新排列的致癌程序，这些程序是肿瘤细胞生长和扩散失调的基础，并揭示出亟需的肿瘤特异性分子目标，以便进行治疗干预。然而，由致癌基因和肿瘤抑制因子的突变引发的新交互作用的普遍性和范围仍需确定。如何在生理相关的细胞环境中发现突变残基导向的PPI，是一个重大的挑战。

图 3：系统分析优先考虑差异化PPI以推进neoPPI候选者

研究专注于癌症驱动基因突变以发现差异化的PPI，导致突变残基导向的PPI和路径可能重新连接致癌程序以形成肿瘤表型。一套新的PPI候选物表明特征明显的体细胞畸变的替代机制。新相互作用的存在源于基因组突变的新相互作用的存在似乎很普遍。在同一基因的不同突变或同一残基的不同改变中也观察到新相互作用，强调突变残基驱动的致癌程序（图3和4）。这种不同突变的差异性连接可能对不同的临床表型和药物敏感性很重要。由这些新PPI候选介导的分子途径可能为解决变异相关的肿瘤异质性和治疗反应提供机会。

图4：肿瘤抑制基因和癌基因突变诱导的neoPPI候选

致癌驱动物的突变残基可作为新表位或诱导的新表位，以改变结合复合物的组成，但一个蛋白质的突变可能会改变其三维结构和/或蛋白质的稳定性，从而重新构建蛋白质-蛋白质的相互作用。确定的新相互作用的分子基础需要对新蛋白复合体进行结构研究。从功能上讲，这样的新表位可能会驱动肿瘤抑制基因的"伙伴转换"，不仅导致肿瘤抑制功能的丧失，也会使致癌潜力的增加。因此，具有肿瘤抑制性突变增益作用的新PPI可能为治疗干预提供可操作的PPI目标。通过发现新PPI抑制剂或低态PPI诱导剂，确定的Go-PPI和Lo-PPI都可以成为治疗发展的目标。

图 5：BRAFV600E 与 KEAP1 交互验证

在内源性条件下，在相关的癌症类型中验证所确定的neoPPI是至关重要的，为了减轻过度表达和标签相关的伪影（图4）。将BRAFV600E/KEAP1的相互作用作为案例研究，根据广泛的相互作用数据（包括直接结合和来自携带BRAFV600E的患者衍生癌细胞的数据）推进新PPI候选。BRAFV600E、KEAP1和NRF2之间的动态相互作用复合体展示BRAFV600E促进肿瘤发生的潜在机制，并为治疗干预提供一个有希望的分子靶点（图6）。BRAFV600E/KEAP1新PPI的连接途径也暴露了一个潜在的脆弱性，导致BRAFV600E患者的顺序组合策略。这种由发现的BRAFV600E/KEAP1新PPI提供的治疗见解体现新PPI作为揭示隐藏的通路依赖性和脆弱性起点的效用。

图 6：BRAFV600E与KEAP1的新交互及其附带漏洞

反复出现的neoPPI结合伙伴汇聚到已证实的核心致癌途径，包括癌症内在的JAK-STAT免疫反应途径，为各种驱动突变的致癌功能提供了分子基础。另一方面，驱动基因突变也会产生不同的新蛋白，可能导致不同的路径重构，为精准治疗提供目标。通过qHT-dS平台系统地发现突变引起的新PPI候选物，该平台允许以单氨基酸的分辨率识别Df-PPI。这种PPI检测方法强调CARINA分析二元滴定和四元样品的PPI数据的质量，以及在生理相关环境中以癌症为重点的差异性PPI图谱的定量性质，补充计算、AP-MS和Y2H技术的蛋白质组规模研究。与人类相互作用组数据集（如BioGRID和BioPlex v2）相比，qHT-dS PPI分析也扩展了肿瘤PPI空间的连接性。

总之，实验验证的新PPI候选物为产生可测试的假设以研究其功能意义提供了一个机制基础。这种突变决定的PPI不仅可以提高对癌症分子重编辑的理解，也揭示针对肿瘤变体介导的机制进行治疗干预的潜在途径，这可能适用于致癌物和肿瘤抑制物的基因组改变。所展示的Df-PPI数据集和来自定量筛选平台、生物信息学和实验注释以及确认性研究的neoPPI候选者为科学界提供宝贵的资源，用于变体导向的分子互动研究，以加速精准医疗方法。

教授介绍

傅海安博士

埃默里大学医学院-药理与化学生物学系教授兼系主任

埃默里大学温希普癌症研究所-化学生物学发现中心主任

研究重点是信号转导中的蛋白质-蛋白质相互作用，以这些相互作用为目标进行药物发现，并与内科科学家合作将此类实验室研究转化为临床应用。

埃默里化学生物学发现中心拥有最先进的技术平台，可以对针对包括微生物耐药性在内的各种疾病的药剂进行高通量筛选。作为Emory ARC的成员，与其他ARC研究人员合作，利用对微生物耐药机制的理解来发现化学铅。

参考文献

Xiulei Mo, Qiankun Niu et al.Systematic discovery ofmutation-directed neo-protein-protein interactions in cancer(2022)