理化學(xué)研究所于2月7日宣布，它利用醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)確定了LKB1-MARK3途徑作為卵巢癌的新治療目標(biāo)。 這項(xiàng)研究由Hidenori Machino博士、Ryuji Hamamoto博士、Masaaki Komatsu博士、Ken Asada博士、國(guó)立癌癥中心研究所單位負(fù)責(zé)人Shuzo Kaneko博士、中央醫(yī)院婦科腫瘤科負(fù)責(zé)人Tomoyasu Kato博士和國(guó)立癌癥中心研究所病理和診斷科負(fù)責(zé)人Hiroshi Yoshida博士進(jìn)行。 這項(xiàng)研究是由一個(gè)國(guó)際研究小組進(jìn)行的，包括東京大學(xué)醫(yī)院的Kenbun Sone博士、Katsutoshi Oda博士和Jo Osuga博士。 該研究結(jié)果已在線(xiàn)發(fā)表在《通信生物學(xué)》上。

高度非典型漿液性卵巢癌是最常見(jiàn)的婦科惡性腫瘤，預(yù)后最差，占所有卵巢癌死亡人數(shù)的70-80%。 最近的基因組分析表明，幾乎所有高度異質(zhì)性的漿液性卵巢癌病例都有腫瘤抑制基因TP53的失活突變，導(dǎo)致染色體不穩(wěn)定造成的基因組結(jié)構(gòu)廣泛異常。 這些患者中約有一半人的同源重組修復(fù)途徑中的分子表達(dá)改變或功能異常，而PARP抑制劑已被證明是一種有效的治療方法，但其余一半患者的治療目標(biāo)尚未完全確定。

此外，已發(fā)現(xiàn)高度非典型漿液性卵巢癌的基因組點(diǎn)突變頻率很低，但由于染色體不穩(wěn)定而頻繁發(fā)生拷貝數(shù)改變。 這意味著專(zhuān)注于單個(gè)基因突變的傳統(tǒng)方法可能不會(huì)再發(fā)現(xiàn)任何新的治療目標(biāo)。 因此，該國(guó)際研究小組決定，有必要根據(jù) "大數(shù)據(jù)分析 "對(duì)基因表達(dá)的變化進(jìn)行定量評(píng)估，這是一種使用各種算法的計(jì)算機(jī)分析。

發(fā)現(xiàn)MARK3基因表達(dá)的減少與臨床預(yù)后的惡化有關(guān)

該國(guó)際研究小組對(duì)包含大規(guī)模微陣列數(shù)據(jù)、RNA-seq數(shù)據(jù)和臨床信息的多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了綜合分析，以比較高度非典型漿液性卵巢癌的癌變和正常卵巢組織的基因表達(dá)水平。 構(gòu)建了一個(gè)新的分析平臺(tái)，提取其基因表達(dá)變化影響臨床預(yù)后的基因。 結(jié)果顯示，LKB1-MARK3通路的MARK3基因在高度不典型的漿液性卵巢癌中被抑制，基因表達(dá)的降低與臨床預(yù)后的惡化有關(guān)。

蛋白質(zhì)MARK3是一種絲氨酸蘇氨酸激酶，被歸類(lèi)為AMPK相關(guān)激酶(磷酸轉(zhuǎn)移酶)，已知可通過(guò)蛋白質(zhì)LKB1的直接磷酸化修飾而被激活，但卵巢癌中LKB1-MARK3途徑的異常尚未有報(bào)道。

為了在臨床上驗(yàn)證大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，我們?cè)u(píng)估了LKB1和MARK3在正常組織(輸卵管上皮細(xì)胞)、癌前病變(上皮內(nèi)癌)和高度不典型漿液性卵巢癌的患者來(lái)源樣本中的蛋白表達(dá)水平。 結(jié)果顯示，LKB1和MARK3在正常組織中都有表達(dá)，而LKB1在癌前病變(上皮內(nèi)癌)中表達(dá)減少，MARK3在浸潤(rùn)性癌中表達(dá)減少。

MARK3 < 磷酸化CDC25B的323Ser < 抑制核轉(zhuǎn)位 < 誘導(dǎo)G2/M期停滯

接下來(lái)，為了分析MARK3的功能，我們使用RNA-seq評(píng)估了MARK3在卵巢癌細(xì)胞系(OVCAR3)中強(qiáng)制表達(dá)的影響。KEGG途徑分析顯示，MARK3的強(qiáng)制表達(dá)減少了一組涉及細(xì)胞周期途徑的基因的表達(dá)。 .

為了闡明MARK3影響細(xì)胞周期的機(jī)制，我們利用磷酸化圖案分析來(lái)尋找MARK3可以磷酸化并作為激酶修改的新底物。 有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)MARK3可以磷酸化和修飾CDC25B，而CDC25B調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的G2/M期轉(zhuǎn)換，并通過(guò)激酶實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一點(diǎn)。 結(jié)果顯示，MARK3確實(shí)直接磷酸化了CDC25B的絲氨酸323。 在功能上，MARK3通過(guò)磷酸化CDC25B的絲氨酸323來(lái)抑制CDC25B的核轉(zhuǎn)位，這可能在誘導(dǎo)細(xì)胞周期的G2/M期停止中發(fā)揮作用。

LKB1-MARK3途徑是一個(gè)參與蛋白質(zhì)合成途徑的代謝應(yīng)激反應(yīng)性細(xì)胞周期檢查點(diǎn)

MARK3磷酸化CDC25家族成員的功能與DNA損傷反應(yīng)性細(xì)胞周期檢查點(diǎn)激酶(如CHEK1)相似，后者在細(xì)胞遭受DNA損傷時(shí)通過(guò)磷酸化CDC25家族成員誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯。

我們假設(shè)MARK3也是一個(gè)細(xì)胞周期檢查點(diǎn)激酶，在應(yīng)對(duì)某些細(xì)胞壓力時(shí)調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，并評(píng)估了MARK3是否在應(yīng)對(duì)各種壓力誘導(dǎo)劑時(shí)被激活。 他們發(fā)現(xiàn)，MARK3在對(duì)蛋白質(zhì)合成抑制劑安賽蜜和模仿缺陷蛋白質(zhì)積累的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力誘導(dǎo)劑Thapsigargin的作用下被激活。 有趣的是，當(dāng)與激活DNA損傷反應(yīng)性檢查點(diǎn)激酶(如CHEK1)的DNA損傷誘導(dǎo)劑反應(yīng)時(shí)，MARK3沒(méi)有被激活。

當(dāng)MARK3基因上游的LKB1基因被敲除時(shí)，沒(méi)有發(fā)生安賽蜜因?qū)ARK3的激活。 此外，在MARK3基因被敲除的細(xì)胞系中，安賽蜜和硫糖鋁的抗腫瘤作用被證明得到了加強(qiáng)。 總之，LKB1-MARK3途徑被認(rèn)為是一個(gè) "細(xì)胞周期檢查點(diǎn)"，對(duì)與蛋白質(zhì)合成途徑有關(guān)的代謝壓力作出反應(yīng)。

強(qiáng)制表達(dá)MARK3在卵巢癌細(xì)胞和小鼠中的抗腫瘤作用得到證實(shí)

為了進(jìn)一步闡明MARK3對(duì)細(xì)胞的影響，研究人員使用ATAC-seq，一種全面的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方法，從強(qiáng)行表達(dá)MARK3的卵巢癌細(xì)胞系(OVCAR3)中獲取染色質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄因子圖案分析。 結(jié)果表明，強(qiáng)制表達(dá)MARK3降低了由JUN和FOS組成的AP-1復(fù)合物的DNA結(jié)合活性，Western blotting顯示JUN的磷酸化修飾被削弱。

此外，據(jù)報(bào)道，AP-1復(fù)合物與Hippo信號(hào)中的轉(zhuǎn)錄因子相互作用，本研究獲得的RNA-seq數(shù)據(jù)也顯示，MARK3的強(qiáng)制表達(dá)降低了Hippo信號(hào)中目標(biāo)基因的表達(dá)。 這些結(jié)果表明，MARK3通過(guò)抑制卵巢癌細(xì)胞系中AP-1復(fù)合物和Hippo信號(hào)靶基因的表達(dá)而發(fā)揮其抗腫瘤作用。

最后，將強(qiáng)制表達(dá)MARK3的卵巢癌細(xì)胞系(OVCAR3)移植到小鼠的皮下組織中，與對(duì)照組相比，顯著抑制了腫瘤的形成和血管生成，表明MARK3在體內(nèi)具有強(qiáng)大的抗腫瘤作用。

LKB1-MARK3通路是一個(gè)有希望的癌癥新治療目標(biāo)

該研究利用理化所創(chuàng)新智能綜合研究中心的領(lǐng)先信息科學(xué)技術(shù)，對(duì)醫(yī)療大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)研究方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 這些結(jié)果表明，在癌癥研究中結(jié)合信息科學(xué)和醫(yī)學(xué)的跨學(xué)科研究方法的重要性。

卵巢癌是最常見(jiàn)的婦科惡性腫瘤之一，因此非常需要開(kāi)發(fā)有效的治療方法。 在這項(xiàng)研究中，我們通過(guò)引入關(guān)注正常和癌變組織中基因表達(dá)信息的大數(shù)據(jù)分析方法，成功地發(fā)現(xiàn)了卵巢癌中LKB1-MARK3通路的一種先前未知的功能異常。 這種大數(shù)據(jù)分析方法可以應(yīng)用于尋找不同癌癥類(lèi)型和疾病的原因。

此外，這項(xiàng)研究首次報(bào)告了LKB1-MARK3途徑是一個(gè)細(xì)胞周期檢查點(diǎn)，對(duì)蛋白質(zhì)合成途徑的代謝壓力作出反應(yīng)。 研究人員認(rèn)為："應(yīng)激反應(yīng)檢查點(diǎn)功能失調(diào)的癌癥往往更容易受到細(xì)胞壓力的影響，預(yù)后更差，因此LKB1-MARK3途徑作為癌癥的新治療目標(biāo)可能變得越來(lái)越重要。