《Science》光遺傳技術開創癌癥研究新見解

　　8月31日《Science》報道，一種形式的非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）突變可能通過模糊細胞對關鍵生長信號的感知來驅動腫瘤形成。由加州大學舊金山研究所領導的這項研究對許多人類癌癥缺陷機制具有重要意義。

　　健康細胞依靠Ras/Erk生長信號途徑中樞（又稱Ras/MAPK通路）來解讀生長、分裂和遷移相關的外部線索。但是，信息傳遞缺陷如何導致細胞生長失控并侵略性地感染其他身體部位？這在Ras/Erk缺陷癌癥研究和治療領域還是一座“圣杯”。

　　幾十年研究，科學家們相信Ras/Erk驅動的癌癥是因為突變導致一個或多個通路組分卡在促生長狀態。研究人員已經開發出了有針對性的治療方案，但是到目前為止，大多數都未能通過臨床試驗。

　　現在，利用加州大學舊金山研究所開發的高通量技術，科學家們可通過光脈沖控制Ras/Erk信號，然后快速讀取由此產生的基因組活性，最終使研究人員在這種已被廣泛研究的通路中找到了令人驚訝的新發現。

　　光遺傳學——光敏蛋白被載入細胞，以便響應光脈沖——是神經科學研究領域的一項變革性實驗技術。

　　利用相同的手段，科學家們用其探索了單細胞內的化學信號溝通模式，揭示了Ras/Erk突變實際上是通過改變細胞生長信號時序，而非強度來觸發癌癥。新研究還表明，模糊的信號時序可以解釋為什么一些旨在阻斷有缺陷的Ras/Erk信號傳導靶向藥物反而會“異常”激活該通路，以至于增加新腫瘤形成風險。

　　“新技術就像一個診斷儀器，連接一個患者細胞，通過光刺激詢問細胞，看看它如何反應，”UCSF的合成生物學家Wendell Lim博士說。“利用這種方法，我們能識別出在信號處理方面有缺陷的癌細胞，以及它們如何處理這些信號并導致細胞增殖反應。”

　　光遺傳揭示突變、藥物對細胞生長信號的破壞

　　Ras/Erk通路是復雜的，其核心是級聯的四種蛋白：Ras、Raf、Mek和Erk，它們負責響應細胞外的生長信號，像多米諾骨牌一樣激活彼此。Ras位于細胞膜上，接收信號，然后將它們傳遞給Raf和Mek，Raf和Mek對它們進行處理和擴增，最后到達Erk（又稱MAPK激酶或MAPK），Erk將信號傳輸到細胞核，從而激活適當的遺傳程序。

　　UCSF醫學腫瘤學家和癌癥生物學家Trever Bivona博士在Lim實驗室做博后研究期間，開發了一種名為OptoSOS的新型光遺傳學工具，它可以被工程改造入細胞，依據精確定時的光脈沖觸發Ras激活。這為研究生長信號時序對細胞行為影響研究提供了便利。

　　為了追蹤細胞對不同Ras激活模式的反應，研究人員將OptoSOS系統用于多種細胞系（包括健康細胞和癌細胞），并將分成不同組的細胞放入實驗室培養皿的一組小孔之中。通過使用特殊裝置（名為optoPlate）照亮培養皿，研究人員能夠快速地用各種刺激模式測試數百個不同實驗組細胞，同時在顯微鏡下捕捉它們的反應。

　　這項技術揭示，健康細胞有選擇地響應持續生長信號（long-lasting growth signals），忽略一明一暗的信號，它們大概認為這些信號是不相關的噪音。相反，非小細胞肺癌（NSCLC）細胞系似乎誤解了這些間歇性的噪音信號，并將它們解讀為更強的持續信號，觸發過度生長和腫瘤形成。

　　“癌癥生物學家期望致癌突變將通路開啟到一個恒定的高水平，”Toettcher說。“我們的研究表明，事實上它們還有B計劃，突變細胞感知外部輸入，但是卻將行為反應轉向了另一種動態。”

　　“誤解”是由于特定類型的B-Raf蛋白突變破壞導致，研究人員發現，這類細胞傾向將Ras激活短脈沖“回響”較長時間，相當于鋼琴的“延音踏板”。

　　當研究人員用短脈沖刺激健康細胞時，Erk會以2分鐘左右的滯后時間再次開啟和關閉，相反，B-Raf突變細胞中，Erk活性在OptoSOS刺激后20分鐘才能消散。進一步實驗表明，在此之后，細胞生長和增殖相關下游遺傳程序激活。

　　一些旨在關閉Ras/Erk信號通路的活性藥物可能也像B-Raf突變一樣模糊了信號傳遞的準確性，特別是SB590885和維莫拉尼（vemurafenib）這兩種悖論激活B-Raf抑制劑（paradox activating B-Raf inhibitors），顯著延長了OptoSOS刺激后Ras/Erk活性持續時間，因此這些藥物具有潛在的觸發新腫瘤風險。

　　“這項研究告訴我們，我們對致癌信號還不是很充分，生長信號傳導時序可能在更廣泛的人類癌癥中發揮作用，”Bivona說。“這些問題僅僅通過當前該領域標準的描述性方法和基因組測序是難以察覺的。”

　　“現在，我們可以使用像光遺傳學這樣的工具詢問細胞通路如何工作來加深我們對許多疾病的理解。”