Science：光遗传技术开创癌症研究新见解
2018-09-03 小通 生物通
8月31日《Science》报道，一种形式的非小细胞肺癌（non-smallcelllungcancer，NSCLC）突变可能通过模糊细胞对关键生长信号的感知来驱动肿瘤形成。由加州大学旧金山研究所领导的这项研究对许多人类癌症缺陷机制具有重要意义。
8月31日《Science》报道，一种形式的非小细胞肺癌（non-smallcelllungcancer，NSCLC）突变可能通过模糊细胞对关键生长信号的感知来驱动肿瘤形成。由加州大学旧金山研究所领导的这项研究对许多人类癌症缺陷机制具有重要意义。
健康细胞依靠Ras/Erk生长信号途径中枢（又称Ras/MAPK通路）来解读生长、分裂和迁移相关的外部线索。但是，信息传递缺陷如何导致细胞生长失控并侵略性地感染其他身体部位？这在Ras/Erk缺陷癌症研究和治疗领域还是一座“圣杯”。
几十年研究，科学家们相信Ras/Erk驱动的癌症是因为突变导致一个或多个通路组分卡在促生长状态。研究人员已经开发出了有针对性的治疗方案，但是到目前为止，大多数都未能通过临床试验。
现在，利用加州大学旧金山研究所开发的高通量技术，科学家们可通过光脉冲控制Ras/Erk信号，然后快速读取由此产生的基因组活性，最终使研究人员在这种已被广泛研究的通路中找到了令人惊讶的新发现。
光遗传学——光敏蛋白被载入细胞，以便响应光脉冲——是神经科学研究领域的一项变革性实验技术。
利用相同的手段，科学家们用其探索了单细胞内的化学信号沟通模式，揭示了Ras/Erk突变实际上是通过改变细胞生长信号时序，而非强度来触发癌症。新研究还表明，模糊的信号时序可以解释为什么一些旨在阻断有缺陷的Ras/Erk信号传导靶向药物反而会“异常”激活该通路，以至于增加新肿瘤形成风险。
“新技术就像一个诊断仪器，连接一个患者细胞，通过光刺激询问细胞，看看它如何反应，”UCSF的合成生物学家WendellLim博士说。“利用这种方法，我们能识别出在信号处理方面有缺陷的癌细胞，以及它们如何处理这些信号并导致细胞增殖反应。”
光遗传揭示突变、药物对细胞生长信号的破坏
Ras/Erk通路是复杂的，其核心是级联的四种蛋白：Ras、Raf、Mek和Erk，它们负责响应细胞外的生长信号，像多米诺骨牌一样激活彼此。Ras位于细胞膜上，接收信号，然后将它们传递给Raf和Mek，Raf和Mek对它们进行处理和扩增，最后到达Erk（又称MAPK激酶或MAPK），Erk将信号传输到细胞核，从而激活适当的遗传程序。
UCSF医学肿瘤学家和癌症生物学家TreverBivona博士在Lim实验室做博后研究期间，开发了一种名为OptoSOS的新型光遗传学工具，它可以被工程改造入细胞，依据精确定时的光脉冲触发Ras激活。这为研究生长信号时序对细胞行为影响研究提供了便利。
为了追踪细胞对不同Ras激活模式的反应，研究人员将OptoSOS系统用于多种细胞系（包括健康细胞和癌细胞），并将分成不同组的细胞放入实验室培养皿的一组小孔之中。通过使用特殊装置（名为optoPlate）照亮培养皿，研究人员能够快速地用各种刺激模式测试数百个不同实验组细胞，同时在显微镜下捕捉它们的反应。
这项技术揭示，健康细胞有选择地响应持续生长信号（long-lastinggrowthsignals），忽略一明一暗的信号，它们大概认为这些信号是不相关的噪音。相反，非小细胞肺癌（NSCLC）细胞系似乎误解了这些间歇性的噪音信号，并将它们解读为更强的持续信号，触发过度生长和肿瘤形成。
“癌症生物学家期望致癌突变将通路开启到一个恒定的高水平，”Toettcher说。“我们的研究表明，事实上它们还有B计划，突变细胞感知外部输入，但是却将行为反应转向了另一种动态。”
“误解”是由于特定类型的B-Raf蛋白突变破坏导致，研究人员发现，这类细胞倾向将Ras激活短脉冲“回响”较长时间，相当于钢琴的“延音踏板”。
当研究人员用短脉冲刺激健康细胞时，Erk会以2分钟左右的滞后时间再次开启和关闭，相反，B-Raf突变细胞中，Erk活性在OptoSOS刺激后20分钟才能消散。进一步实验表明，在此之后，细胞生长和增殖相关下游遗传程序激活。
一些旨在关闭Ras/Erk信号通路的活性药物可能也像B-Raf突变一样模糊了信号传递的准确性，特别是SB590885和维莫拉尼（vemurafenib）这两种悖论激活B-Raf抑制剂（paradoxactivatingB-Rafinhibitors），显著延长了OptoSOS刺激后Ras/Erk活性持续时间，因此这些药物具有潜在的触发新肿瘤风险。
“这项研究告诉我们，我们对致癌信号还不是很充分，生长信号传导时序可能在更广泛的人类癌症中发挥作用，”Bivona说。“这些问题仅仅通过当前该领域标准的描述性方法和基因组测序是难以察觉的。”
“现在，我们可以使用像光遗传学这样的工具询问细胞通路如何工作来加深我们对许多疾病的理解。”
原始出处：
L. J. Bugaj, et al.Cancer mutations and targeted drugs can disrupt dynamic signal encoding by the Ras-Erk pathway.Science Vol. 361, No. 6405.DOI: 10.1126/science.aao3048
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