Cell：肺癌精准医疗新锚点：代谢依赖性锁定致癌基因

在过去二十年里，临床基因分型、转化研究和药物发现工作使得肺癌（即腺癌）能够基于致癌驱动基因的改变进行分子分层，并催生了与相应致癌基因相匹配的靶向疗法的开发。基因型定向疗法彻底改变非小细胞肺癌（NSCLC）的治疗方法，并降低了肺癌死亡率。无性淋巴瘤激酶（ALK）基因融合是NSCLC的一个分子亚型，占肺腺癌（LUADs）的4%-6%。ALK 融合阳性（或ALK+）肺癌约占40岁以下LUAD诊断患者的三分之一，其发病机制尚无已知的环境因素。ALK+肺癌表现出ALK依赖性，对使用酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）抑制ALK很敏感。尽管癌基因驱动型肺癌患者对TKIs有临床反应，但靶向疗法总会出现耐药性，人们对代谢依赖性在赋予治疗敏感性或耐药性方面的作用知之甚少。

代谢失调是癌细胞的一个标志性特征，它有助于生成对能量生产、细胞增殖和存活至关重要的生物大分子。虽然在Kras驱动的NSCLC中已描述了代谢途径的干扰，但代谢依赖性如何导致致癌基因融合阳性NSCLC对TKIs的敏感性尚不清楚。

为了确定介导ALK+ NSCLC对TKI敏感性的细胞机制，研究人员在ALK+患者衍生细胞系中进行磷酸化蛋白质组学研究。在ALK抑制时被鉴定为不同磷酸化的代谢蛋白中，鸟苷酸激酶1（GUK1），以前未被描述为ALK的底物，被鉴定为差异化磷酸化程度最高的蛋白之一。GUK1 将细胞的鸟苷一磷酸（GMP）转化为鸟苷二磷酸（GDP），GDP是鸟苷三磷酸（GTP）生物合成的前体。在嘌呤代谢酶中，GUK1在ALK+细胞系中受ALK抑制的调控程度最高。ALK抑制1h后，GUK1在酪氨酸74（Y74）处磷酸化程度降低，在3个独立的ALK TKI敏感细胞系中，GUK1的磷酸化程度降低了74%，而GUK1蛋白的总水平没有发生任何变化。从人类到酵母，GUK1 Y74位点都是保守的，这表明该残基在进化过程中的重要性。

磷酸化蛋白组学发现GDP合成酶GUK1是致癌基因ALK的靶标

由于GUK1是哺乳动物中唯一报道的促使GMP合成GDP的酶，研究人员分析了洛拉替尼是否会影响ALK+患者衍生细胞系细胞内的嘌呤代谢物水平。洛拉替尼抑制ALK，增加细胞内GMP的水平，降低GDP和GTP的水平，这与GDP生物合成受阻一致。同样，嘌呤挽救中间体（次黄嘌呤、肌苷和鸟苷）的浓度也因ALK抑制而增加。研究人员通过同位素示踪实验发现，在3个独立的ALK+细胞系中，M + 5标记的GDP和GTP的百分比在洛拉替尼处理的情况下有所下降。相比之下，用洛拉替尼处理的对照组Calu-1细胞或H2030细胞中GDP和GTP标记的百分比没有变化。

ALK抑制降低GDP合成

研究发现，ALK磷酸化GUK1可提高其活性。此外，研究人员还发现致癌ALK信号会增加肺肿瘤细胞系、小鼠模型和患者样本中的GDP水平。为了便于检测患者来源细胞系和人类肿瘤标本中Y74位点的磷酸化GUK1，研究人员定制了一种能检测Y74位点磷酸化的磷酸化特异性GUK1抗体（pGUK1）。结果发现在使用洛拉替尼和其他FDA批准的ALK TKIs抑制ALK时，pGUK1水平会降低，但使用表皮生长因子受体（EGFR）抑制剂奥希替尼则不会。研究人员构建在缺乏内源性GUK1的ALK+患者来源细胞中异位表达WT GUK1或Y74F GUK1的系统，在表达WT GUK1的细胞中，洛拉替尼可抑制GUK1磷酸化。相比之下，表达Y74F的细胞中pGUK1信号明显减少，无论是否有洛拉替尼。与WT GUK1表达细胞相比，非磷酸化GUK1（Y74F）的异位表达足以降低GDP和GTP的水平，导致核苷酸比例降低。

接着，研究人员评估了WT和Y74F GUK1 ALK+患者衍生细胞在非肥胖糖尿病（NOD）-scid IL2Rgamma^null小鼠皮下肿瘤形成中的生长情况。表达WT-GUK1的细胞比表达Y74F-GUK1的细胞更容易形成肿瘤，而且这些肿瘤生长得更快。第30天时，Y74F GUK1肿瘤的GDP和GTP水平较低，这表明ALK+肿瘤中GUK1的磷酸化对维持体内肺肿瘤的GDP和GTP核苷酸水平非常重要。随后，研究人员评估了GUK1磷酸化的丧失是否会影响洛拉替尼停药后肿瘤的生长。在停用洛拉替尼后，与含YF的患者异种移植（PDX）小鼠相比，含GUK1 WT的PDX小鼠的肿瘤生长显著增加，这表明GUK1磷酸化和激活对TKI停药后的肿瘤生长很重要。

ALK介导的GUK1磷酸化对肿瘤增殖很重要

据报道，ALK信号传导可直接促进Kras和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号传导。由于Kras是一种GTP酶，研究人员假设ALK信号通过GUK1对GTP的调节足以通过GTP负载调节Ras信号。结果发现与WT GUK1相比，表达Y74F GUK1的细胞表现出Ras-GTP负载的减少，这表明干扰GUK1的活化足以破坏Ras-GTP和下游MAPK信号转导。Ras-GTP随着洛拉替尼的处理而下降，这与之前关于抑制ALK会降低Ras信号转导的研究一致。用洛拉替尼处理Y74F GUK1表达细胞时，Ras-GTP水平同样很低。

GUK1磷酸化与ALK+患者肿瘤中的GDP在空间上相关，并通过Ras-GTP负载调节MAPK信号转导

除了ALK融合外，NSCLC中还有其他可靶向的致癌融合驱动因子。继ALK 之后，肺癌中最常见的致癌融合激酶涉及c-ros 肉瘤致癌因子-受体酪氨酸激酶（ROS1）或受体酪氨酸激酶（RET）。研究人员通过实验证实在ROS1或RET融合阳性肺癌患者的未接受治疗的肿瘤样本中检测到pGUK1，这表明除了ALK之外，还有其他致癌驱动因子调控着GUK1。

综上所述，GUK1作为肺癌中ALK信号的靶点，通过药物调节肿瘤基因引起的 GUK1 酶活性增强有可能干扰鸟嘌呤核苷酸的合成和肿瘤细胞的特异性增殖，能更深入地了解癌症如何赋予不同的代谢依赖性，将对针对癌症代谢的治疗干预产生影响，并对肺癌的精准医疗和患者预后产生影响。