研究人员用光脉冲控制实验室的常见癌症途径

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加州大学旧金山分校

概要：

根据一项新的实验室研究，一种非小细胞肺癌（NSCLC）形式的基因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。该研究可能对理解并最终针对许多人类癌症的缺陷机制​​具有重要意义。

2018年8月31日发表于“科学”杂志的一项新实验室研究显示，非小细胞肺癌（NSCLC）形式的基因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。由加州大学旧金山分校的研究人员领导的研究可能对理解并最终针对许多人类癌症的缺陷机制​​具有重要意义。

健康细胞依赖于中心Ras / Erk生长信号传导途径（也称为Ras / MAPK途径）来解释关于如何以及何时生长，分裂和迁移的外部线索，但这些信息如何传递的缺陷可导致细胞失去控制并积极地侵入身体的其他部位。这种突变存在于大多数人类癌症中，使得Ras / Erk缺陷的治疗成为癌症研究的“圣杯”。

数十年的研究使科学家们相信，当突变导致该途径的一个或多个成分陷入促生长状态时，Ras / Erk驱动的癌症就会发生。研究人员已经努力开发出有针对性的治疗方法，可以将这些破损的开关翻转，但到目前为止，大多数研究都未能通过临床试验。现在，使用UCSF开发的高通量技术，科学家可以利用光脉冲控制Ras / Erk信号，然后快速读出所产生的基因组活性，研究人员对这一广泛研究的途径做出了惊人的发现。

光遗传学 - 其中光敏蛋白质被遗传工程化到细胞中以使它们对光脉冲作出反应 - 一直是神经科学中的变革性实验室技术，允许研究人员以精致的方式控制和研究神经元网络中的电活动模式精确。通过使用相同的方法探索个体细胞内化学通讯的模式，新的研究表明，一些Ras / Erk突变可能通过改变细胞生长信号的时间而非强度来触发癌症。这项新研究还表明，这种信号时序的模糊可能解释了为什么一些旨在关闭有缺陷的Ras / Erk信号传导的靶向药物可能会矛盾地激活该途径，从而可能增加新肿瘤形成的风险。

“这种新技术就像是一种诊断仪器，它可以连接到患病细胞，让我们用许多基于光的刺激来刺激和询问细胞，看看它是如何反应的，”加州大学旧金山分校的合成生物学家Wendell Lim博士说。该研究的资深作者。 “使用这种方法，我们能够识别出在处理信号方面存在某些缺陷的癌细胞，这些行为导致细胞增殖，以响应通常被细胞回路过滤的信号。”

加州大学旧金山分校医学肿瘤学家和癌症生物学家Trever Bivona，医学博士，博士和普林斯顿分子生物学家Jared Toettcher博士，前身为Lim实验室的博士后研究员，是这项新研究的共同高级作者。该研究的主要作者是宾夕法尼亚大学的Lukasz Bugaj博士，他以前也是Lim实验室的博士后研究员。

光遗传学通过突变，药物揭示细胞生长信号的腐败

Ras / Erk途径是复杂的，但其核心是四个蛋白质的级联 - Ras，Raf，Mek和Erk--它们相互激活，就像一串倒下的多米诺骨牌，响应来自细胞外的生长信号。 Ras位于细胞膜上并接收输入信号，然后将它们传递给Raf和Mek，后者处理并扩增它们，直到最后Erk（也称为MAP激酶或MAPK）将信号传输到细胞核中，在那里它可以激活适当的遗传计划。

以前，研究人员对增长信号的时间如何影响细胞行为几乎一无所知。为了解决这个问题，这项新研究利用了一种新的光遗传学工具，该工具由Toettcher在Lim实验室中作为博士后开发。该工具OptoSOS可以设计成单元格，以响应精确定时的光脉冲触发Ras活动。

为了追踪细胞对Ras激活的不同模式的反应，研究人员将OptoSOS系统设计成多行健康和癌细胞，并将这些细胞的不同组放入实验室培养皿中的一系列小孔中。通过使用专门设计的装置（称为optoPlate）照亮这道菜，该团队能够通过各种测试模式快速刺激数百个不同的实验细胞群，同时在显微镜下读出他们的反应。

这些技术揭示了健康细胞选择性地响应持久的生长信号，同时忽略闪烁的信号 - 大概认为它们是无关的“噪音”。相比之下，研究人员发现，某些非小细胞肺癌（NSCLC）细胞系似乎将这些间歇性噪声信号错误地解释为更强，持续的信号，从而引发过度生长和肿瘤形成。

Toettcher说：“癌症生物学家期望致癌基因突变可以将通路转变为恒定的高水平。我们的工作表明还有第二种选择，即突变细胞仍可感知外部输入，但会改变其反应的动态。”

研究人员发现，由于蛋白质B-Raf中特定类型的突变会破坏传入生长信号的时间，因此信号误读似乎会发生，导致Ras激活的短脉冲在受影响的细胞内反响更长时间 - 类似于钢琴上的“延音”踏板如何引出个别音符并一起模糊。

当研究人员用短暂的OptoSOS刺激脉冲激活健康细胞中的Ras时，Erk会再次开启和关闭，只有大约两分钟的延迟。相比之下，在B-Raf突变细胞中，在OptoSOS刺激后耗散Erk活性20分钟，并且进一步的实验表明这导致与细胞生长和增殖相关的下游遗传程序的激活。

研究人员还表明，一些旨在关闭Ras / Erk信号通路过度活跃成分的靶向癌症药物可能会像B-Raf突变一样模糊信号的保真度。具体而言，他们发现vemurafenib和SB590885 - 一类叫做悖论激活B-Raf抑制剂的药物的一部分 - 显着减缓了OptoSOS刺激后Ras / Erk活动关闭的时间，这可以帮助研究人员了解这些药物已知在患者中引发新肿瘤形成的风险。

“这项研究告诉我们以前未被充分认识到致癌信号的维度，并表明生长信号传导的时机可能在更广泛的人类癌症中发挥重要作用，”Bivona说。 “可能存在未来的诊断和治疗机会，利用在功能水平上检测信号损坏方面的能力，仅通过使用当前标准的描述性方法对癌症基因组进行测序而不明显。”

Lim补充说：“我们现在可以使用像光遗传学这样的疑问工具来更加量化和系统地了解细胞电路如何工作以及它们如何破裂。这种方法可以帮助我们发现许多涉及故障决策的疾病出了什么问题 - 在细胞中制造电路，从癌症到自身免疫。“