头颈癌的蛋白质网络图谱揭示不同类型PIK3CA突变的药物敏感性

撰文丨言笑

责编丨酶美

过去十年的基因组测序工作描绘了数千种肿瘤的遗传景观，并巩固了癌症作为高度异质性疾病的概念。癌症患者往往会发生数千个基因的改变，这种复杂性限制了将个体改变与癌症患者表型联系起来的能力。因此，以蛋白网络整合个体肿瘤突变的方法得以开发，并在此基础上预测患者的存活率和对治疗的反应。然而，迄今为止可用的蛋白-蛋白相互作用（PPI）通常在缺乏癌症背景的细胞系，例如HEK293T细胞中通过亲和纯化-质谱（AP-MS）得到，但PPI在不同的细胞环境中可能存在很大差异，因而需要进一步探索在癌症背景下生成的PPI图谱。

头颈部鳞状细胞癌（head and neck squamous cell carcinoma, HNSCC）是全球第六大常见恶性肿瘤，已有大量数据详述相关的基因改变，但目前只有两种可用靶向治疗【1】。PIK3CA是HNSCC中最常见的突变癌基因，编码p110α，即磷脂酰肌醇3-激酶的催化亚基。作为众多肿瘤类型的标志，PI3K的过度激活可直接归因于PIK3CA的扩增或突变，并导致Akt/mTOR通路的激活。尽管对典型 PIK3CA 突变（例如 E542K、E545K 和 H1047R）的功能进行了深入研究，但对于众多非典型突变如何调节 PIK3CA 相互作用和功能仍不清楚【2-4】。

近日，来自美国加州大学的Nevan J. Krogan团队和Trey Ideker团队在Science杂志上合作发表了一篇题为A protein network map of head and neck cancer reveals PIK3CA mutant drug sensitivity的文章，该研究通过多维蛋白质-蛋白质相互作用图阐明肿瘤遗传复杂性的框架，并将其应用于增强对HNSCC的理解，这些发现对于揭示癌症发病新机制，指导治疗靶点的选择具有重要价值。

该团队首先根据HNSCC的TCGA分析中已确认改变的分子途径，以及先前报道的复发性点突变或与HNSCC相关基因，共选择33种蛋白“诱饵”一式三份分别表达于两种HNSCC细胞系（SCC-25和CAL-33）和食道非致瘤细胞系HET-1A，利用AP-MS方法以表征HNSCC的PPI景观。在检测到的771种HC-PPI中，大多数（84%）并未在先前的公共PPI数据库中报告过，这一发现也进一步证实PPI在不同细胞环境下存在差异。

为了确定与癌症相关的蛋白相关作用，该团队开发一种评估蛋白相互作用的细胞类型特异性的统计方法，优先比较存在于SCC-25和CAL-33，而非HET-1A细胞系中的PPI，且通过对PPI分级排序后，重点关注HNSCC细胞系中具有最大富集或缺陷的PPI。成纤维细胞生长因子受体3（FGFR3）作为一种受体酪氨酸激酶（RTK），可介导细胞增殖、存活和分化，而Daple可以与RTK作用，经过一系列过程后激活Gai蛋白并促进Akt信号传导、细胞迁移和侵袭【5, 6】，该团队在此发现了先前未知的FGFR3与Daple的关联性，并通过荧光素酶测定和siRNA实验验证，Gai激活依赖于FGFR3和Daple，且会导致PAK1/2下游磷酸化事件发生，以促进癌细胞迁移和侵袭。如果使用FGFR抑制剂infigratinib，则可以抑制上述途径。

前面已经提到，人们对PIK3CA经典突变的研究颇多，但对非经典突变的功能仍知之甚少。为此，该团队选择了在HNSCC患者中发现的16种不同突变，并评估在三种细胞系中的相应突变体PPI图谱。PIK3CA螺旋结构域突变体（如E545K、E545G 和 E542K）和人类表皮生长因子受体3（HER3）之间表现出增加的相互作用，而激酶结构域突变体（如H1047R）与HER3相互作用水平低。接下来，该团队生成了过表达野生型或螺旋/激酶结构域突变体的细胞系并注射至裸鼠侧腹，并在15天内用盐水或HER3单克隆抑制剂CDX3379处理小鼠。有趣的是，携带激酶结构域突变体的裸鼠对CDX3379具有抗性，而携带野生型或螺旋结构域突变体的裸鼠表现出对CDX3379的高度敏感，几乎完全抑制肿瘤生长（图1），也就是说，携带这类PIK3CA突变的HNSCC患者可能会受益于HER3的靶向治疗。

这项研究展示了针对与HNSCC遗传相关基因的PPI景观，并揭示了数百个新的PPI，且对研究细胞系具有高度特异性，不同突变的致癌机制反映在相应的PPI差异中，可以利用这些差异来获得靶向治疗益处。总而言之，这项工作以HNSCC为例说明，可以在癌症背景下应用蛋白网络生物学方法来识别新的治疗靶点，并进一步证实现有靶点的可靠性。此外，该框架不仅适用于癌症，还可应用于其他遗传定义的疾病领域。

同期Science发表另两篇癌症蛋白网络分析的文章，为我们展示了癌症网络深度挖掘的成果，详见BioArt系列报道（Science | 乳腺癌蛋白质相互作用景观）。

原文链接:

https://doi.org/10.1126/science.abf2911

制版人：十一

参考文献

1. N. Riaz, L. G. Morris, W. Lee, T. A. Chan, Unraveling the molecular genetics of head and neck cancer through genome-wide approaches. Genes Dis. 1, 75–86 (2014). doi: 10.1016/j.gendis.2014.07.002; pmid: 25642447

2. T. Dogruluk et al., Identification of variant-specific functions of PIK3CA by rapid phenotyping of rare mutations. Cancer Res. 75, 5341–5354 (2015). doi: 10.1158/0008-5472.CAN-15-1654; pmid: 26627007

3. M. L. Rudd et al., A unique spectrum of somatic PIK3CA (p110alpha) mutations within primary endometrial carcinomas. Clin. Cancer Res. 17, 1331–1340 (2011). doi: 10.1158/1078-0432.CCR-10-0540; pmid: 21266528

4. V. W. Y. Lui et al., Frequent mutation of the PI3K pathway in head and neck cancer defines predictive biomarkers. Cancer Discov. 3, 761–769 (2013). doi: 10.1158/2159-8290.CD-13- 0103; pmid: 23619167

5. N. Aznar et al., Convergence of Wnt, growth factor, and heterotrimeric G protein signals on the guanine nucleotide exchange factor Daple. Sci. Signal. 11, eaao4220 (2018). doi: 10.1126/scisignal.aao4220; pmid: 29487190

6. N. Aznar et al., Daple is a novel non-receptor GEF required for trimeric G protein activation in Wnt signaling. eLife 4, e07091 (2015). doi: 10.7554/eLife.07091; pmid: 26126266

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