Nature | KRAS可直接调控己糖激酶影响肿瘤代谢

时间 : 2019-12-13

KRAS是癌基因中突变率最高的基因，它通过第四个外显子的可变剪切能够合成两种蛋白变体，分别为KRAS4A和KRAS4B。这两种蛋白质的差异仅仅在于它们羧基端靶向细胞膜的区域不同【1】。KRAS基因的突变往往发生在其第二个和第三个外显子上，因此，KRAS基因的突变，往往会产生两种组成性激活的KRAS蛋白，它们都能使细胞发生转化【2】。目前，KRAS两种变体蛋白之间的功能差异还未研究清楚。

癌基因KRAS能够通过多种方式改变肿瘤细胞的代谢进程【3】，包括增强肿瘤细胞的葡萄糖摄取和糖酵解过程，即使肿瘤组织中含有大量的氧气（瓦博格效应）【4】。研究显示，KRAS基因对肿瘤代谢的影响能通过转录调控葡萄糖转运蛋白以及糖酵解酶系来实现【5】，但是，KRAS是否直接调控代谢相关酶系仍旧未知。

2019年12月12日，来自纽约大学医学院Mark R. Philips课题组在Nature杂志上在线发表了文章KRAS4A directly regulates hexokinase 1，发现KRAS4A能直接与己糖激酶1（hexokinase 1, HK1）结合，两个蛋白能共同定位于线粒体外膜上，对肿瘤细胞的糖代谢起到了重要的作用。

研究人员首先利用亲和纯化与质谱联用的方法鉴定出了NRAS的相互结合蛋白HK1、VDAC（voltage-dependent anion channel）以及ADP/ATP转位酶1。之后，通过免疫共沉淀实验，研究人员发现HK1确实能够和RAS蛋白结合，RAS蛋白不同变体和HK1之间的亲和性为KRAS4A > NRAS ≫ HRAS > KRAS4B。HK2（hexokinase 2）与HK1蛋白之间拥有73%的序列相似性，两者在结构上也非常相似，但免疫共沉淀实验显示，HK2仅仅能与KRAS4A结合。

翻译后修饰对于RAS蛋白在细胞内的转运非常重要，而对于KRAS4A来说，其180位半胱氨酸的棕榈酰化以及186位半胱氨酸的异戊烯化对于KRAS4A的定位非常关键。研究显示，点突变C180S抑制了其棕榈酰化之后，反而增强了KRAS4A和HK1以及HK2的结合；而点突变C186S抑制了其异戊烯化后，则降低了KRAS4A和细胞内膜系统以及HK1和HK2之间的结合。

研究人员通过C180S点突变质粒进一步研究了KRAS4A和HK1之间的相互作用，结果表明它们能够共同定位在线粒体外膜上。HK1蛋白上76-206段蛋白序列是与KRAS4A相互作用的关键位置，而KRAS4A上的膜定位序列是其与HK1结合的关键结构域。

接下来，研究人员探究了HK1和HK2的激酶活性是否受到KRAS4A的影响。HK1的C端能够磷酸化葡萄糖，而其N端则提供了一种反馈抑制模式。与之不同的是，HK2则是包含有两个激酶活性结构域。研究表明，KRAS4A能够抑制HK1的变构调节效应，这是通过两个蛋白之间的相互作用来实现的。

最后，研究人员研究了KRAS4A对细胞代谢作用的影响。实验结果表明，KRAS4A和KRAS4B都能增强细胞对葡萄糖的摄取速率，不同的是，KRAS4A的效果时KRAS4B的两倍。同时，KRAS4A对细胞摄取葡萄糖的促进作用是通过HK1而不是HK2来实现的。另外，KRAS4A和KRAS4B在诱导下游MEK, ERK以及AKT等蛋白的磷酸化作用上是等效的，KRAS蛋白也不会增强HK1或者HK2的蛋白水平，这表明KRAS4A增强细胞的葡萄糖代谢不是通过MAPK和PI3K信号通路或者转录调控机制来实现的。

总之，本研究表明，KRAS4A蛋白能够和HK1共同定位于线粒体的外膜上，KRAS4A的两种翻译后修饰方式影响了它们之间的结合，而KRAS4A则通过对HK1别构反馈调节模式的抑制作用进而影响了细胞的葡萄糖代谢。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1832-9