北京时代方略

Cell: 癌细胞RAS信号传递如何不依赖于细胞膜就可实现?


酪氨酸激酶(RTK)介导的下游效应途径的活化,例如RAS GTPase / MAP激酶(MAPK)信号级联反应,被认为仅发生于哺乳动物细胞中的脂膜区。在最近一项研究中,来自美国加州旧金山分校的Trever G. Bivona团队发现了一种基于蛋白质颗粒的无膜亚细胞结构,可以组织癌症中的RTK / RAS / MAPK信号传导。相关结果发表在《Cell》杂志上。

来源: 生物谷 

 

酪氨酸激酶(RTK)介导的下游效应途径的活化,例如RAS GTPase / MAP激酶(MAPK)信号级联反应,被认为仅发生于哺乳动物细胞中的脂膜区。在最近一项研究中,来自美国加州旧金山分校的Trever G. Bivona团队发现了一种基于蛋白质颗粒的无膜亚细胞结构,可以组织癌症中的RTK / RAS / MAPK信号传导。相关结果发表在《Cell》杂志上。

受体酪氨酸激酶(RTK)/ RAS / MAP激酶(MAPK)信号在调节正常人细胞的增殖和存活中起着重要作用,并且通常通过多种机制在人类癌症中被过度激活。正常状态下的RTK是不可或缺的膜蛋白,而RTK信号激活此前被认为仅发生在脂膜区,包括细胞质膜(PM)和细胞内的带膜细胞器,如胞内体等。此外,RAS GTPase的激活和下游MAPK信号传导依赖于RAS蛋白与脂膜的结合。

与细胞膜以及胞内的脂质结构细胞器不同,生物分子缩合物(biomolecular condensates)是主要基于蛋白质的无细胞结构(例如P-小体,核仁和应激颗粒等)进行亚细胞区室化的新兴机制(Alberti等, 2019; Shin和Brangwynne,2017)。尽管此前研究已经发现转录因子缩合物(transcription factor condensates)与癌症之间的联系,但生物分子缩合物在致癌信号传导和癌症发病机理中的功能作用仍有待确定。

癌症发生过程中RTK / RAS / MAPK信号转导异常的情况包括涉及RTK的染色体重排,它们会产生嵌合的癌蛋白,几乎所有致癌的ALK和RET融合蛋白都保留了细胞内结构域,其中包括激酶,但缺乏天然的跨膜结构域。因此,这些癌化的RTK蛋白在如何在不依赖细胞膜结构的情况下发生信号转导,以及这些RTK融合癌蛋白如何激活RAS信号成为了亟待解决的问题。

先前研究发现:肺癌和其他癌症亚型中经常出现的“棘皮动物微管相关蛋白4(EML4)”-ALK融合癌蛋白的形成依赖于RAS GTPase激活和下游RAF / MEK / ERK(MAPK途径)信号传导。研究表明,EML4-ALK复合体的形成并非局限于细胞膜,而是定位于未知的细胞内点状细胞质结构,并且这种特定的细胞内定位对于EML4-ALK激活RAS和下游MAPK信号传导至关重要。

在这项研究中,作者试图研究ALK融合癌蛋白在细胞中的定位,并且将最初的研究重点放在EML4-ALK变体1上。首先,作者利用患者来源的癌细胞H3112(其内源性表达EML4-ALK变异体)进行免疫荧光检测,证实了EML4-ALK定位于细胞质中的点状结构,而非细胞膜。之后,作者通过在表达携带FLAG标签的EML4-ALK的Beas2B细胞中进行成像分析而验证了上述发现。然后,作者使用一系列成熟的细胞学检测手段研究了EML4-ALK的生物物理特性。研究发现,EML4-ALK颗粒不是简单,均质的液滴:1)在活细胞成像的时间窗口内未观察到裂变或融合事件,并且大多数颗粒在己二醇处理后仍然存在,这与DCP1B标记的液状P-小体不同;2)超分辨率显微成像结果显示, EML4-ALK颗粒表现出多孔和曲线形状,而不是液滴所具备的光滑和球形的外观特征;3)光漂白的荧光恢复成像(FRAP)结果显示,颗粒与颗粒之间的周围细胞质之间存在异质性的EML4-ALK交换现象,1分钟内的中位回收效率为10%,其中部分颗粒的回收率最高为40% 。上述结果表明,EML4-ALK形成了全新的胞浆蛋白颗粒,并且表现出了极高的异质性,固体状的特性比液体状的特性更为普遍。

进一步,作者通过成像手段发现EML4-ALK无膜细胞质蛋白颗粒能够在原位募集RAS激活复合物GRB2 / SOS1 / GAB1,并且能够激活下游的RAS信号。在此基础上,作者发现当这一无膜复合体具备高度有序特征时,其在不依赖细胞膜结构的情况下依然能够激活下游的RAS/MAPK,而低有序度的蛋白复合体则不具备上述能力。

综上,作者通过一系列精巧的设计以及高分辨率成像实验,发现了由RTK形成的全新细胞内蛋白质颗粒结构,并建立了定义RTK癌蛋白形成无膜蛋白颗粒的结构规则。该发现揭示了无膜的、高有序度胞质蛋白符合体是致癌RTK和RAS信号传导的独特亚细胞平台。

原始出处:Asmin Tulpule, Juan Guan, Dana S. Neel et al., Kinase-mediated RAS signaling via membraneless cytoplasmic protein granules. Cell (2021) DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.031