大多数癌症依赖于平衡的蛋白质稳态（proteostasis）来维持癌细胞生长。肿瘤药物治疗通常会破坏蛋白质稳态并诱发未折叠和错误折叠蛋白的聚集 。耐药细胞必须克服蛋白质稳态网络的不平衡才能维持生存。然而，驱动癌基因如何调控蛋白质稳态网络，以及耐药细胞如何重编程蛋白质稳态网络来绕过癌基因依赖（oncogene addiction）并获得耐药性的分子机制并不清楚。
美国贝勒医学院陈曦教授实验室长期致力于蛋白质稳态和应激在免疫微环境和肿瘤耐药性中的功能，机制以及临床转化研究。
2023年9月8日，贝勒医学院陈曦实验室（吕向东、陆煊和曹劲为共同第一作者）与MD安德森癌症中心应灏强实验室合作，在 Science 期刊发表了题为：Modulation of the proteostasis network promotes tumor resistance to oncogenic KRAS inhibitors 的研究长文。
该研究首次报道了蛋白质稳态调控网络重编程的分子机制及其在KRAS抑制剂耐药性中的重要功能。
KRAS蛋白一直被认为是“不可成药”靶点。加州大学旧金山分校的 Kevan Shokat 实验室于2013年报道了KRAS蛋白的第12位甘氨酸突变为半胱氨酸（KRASG12C）提供了一个可以被靶向药物结合的位点，并且首次设计了特异性，不可逆结合KRASG12C蛋白的小分子抑制剂（KRASi）。
FDA最近加速批准了KRAS抑制剂sotorasib和adagrasib用于治疗KRASG12C突变的非小细胞肺癌（NSCLC）患者。尽管sotorasib和adagrasib取得了令人鼓舞的治疗效果，但是肿瘤对KRASi产生耐药性几乎是不可避免的。临床实验以及临床前研究表明肿瘤细胞可以通过激活代偿信号通路或者产生新的突变而获得耐药性。不同病人的耐药机制有非常高的异质性。这些都对靶向治疗KRAS突变驱动的肿瘤构成了非常大的临床挑战。尽管针对其他KRAS突变体（比如G12D）的抑制剂也已经进入早期临床实验，研究表明这些肿瘤也会快速产生相似的耐药性。因此，阐明KRAS抑制剂耐药分子机制及其在不同病人中的异质性对于开发更安全有效的联合治疗方法以及预防复发都是至关重要的。
在这项最新研究中，研究团队首先在多种KRAS突变的肿瘤模型中发现：敲除或者用小分子化合物抑制KRAS突变都会打破癌细胞内的蛋白质稳态，从而导致大量未折叠和错误折叠蛋白的聚集。但是癌细胞一旦对KRASi产生耐受，其蛋白质稳态就会恢复正常。为进一步研究KRASi如何破坏蛋白质稳态, 以及蛋白质稳态如何在耐受细胞中重建，研究团队系统性的比较了亲代和耐药癌细胞中的蛋白质稳态调控网络的各个重要节点，包括蛋白质翻译，质量控制和降解机制。他们发现：在亲代癌细胞中，KRAS失活会同时抑制调控细胞质蛋白稳态的热休克反应关键因子HSF1和调控内质网稳态的关键因子IRE1α，从而导致大量的错误折叠蛋白聚集；而在耐药癌细胞中，只有IRE1α会被特异性激活。进一步实验证实这种重编程使得IRE1α变成耐药细胞中重新建立的蛋白质稳态网络的核心节点，其对于维持耐药癌细胞中的蛋白质稳态和细胞生存至关重要。
IRE1α是最进化保守的内质网应激感受器（ER stress sensor），它同时具有激酶和核酸内切酶活性。研究团队进一步探究蛋白质稳态网络重编程的分子机制并发现：在亲代细胞中，KRAS下游激酶ERK直接结合并磷酸化修饰IRE1α蛋白（Ser525, Ser529, Ser549 and Thr973）。这些磷酸化修饰阻止了泛素化连接酶复合物SEL1L/HRD1 结合并泛素化修饰IRE1α，从而防止IRE1α被蛋白酶体降解。在耐药性细胞中，由多种不同的受体酪氨酸激酶（RTKs）激活的ERK和AKT会共同促进IRE1α的重新磷酸化并使IRE1α蛋白水平恢复到与亲代细胞相当的水平。
尽管同时抑制ERK和AKT，或者多种 RTK, 可以有效抑制耐药癌细胞中IRE1α蛋白水平， 破坏重建的蛋白质稳态网络，并导致大量蛋白聚集，但是临床上很难同时使用这些抑制剂。第一，同时靶向这些通路会对正常器官产生毒性， 病人难以耐受。第二，不同病人的肿瘤中有不同的RTK组合被激活，这种病人特异的异质性限制了靶向多种RTK在临床上的应用。陈曦教授实验室于2018年首次报道了ORIN1001是一种高度特异的IRE1α核酸酶抑制剂。一期临床试验初步证明了ORIN1001的安全性和耐受性。研究人员发现ORIN1001能够显著增强KRAS抑制剂sotorasib及其下游MEK抑制剂trametinib在13种临床前小鼠模型中的抗肿瘤效果，并在其中5个模型中能够完全消除肿瘤并且防止复发。
为进一步证实 ORIN1001是通过抑制肿瘤细胞中的IRE1α蛋白而起到上述抗肿瘤效果，研究人员鉴定发现了IRE1α蛋白上影响ORIN1001结合的关键氨基酸V918。将V918突变为苯丙胺酸后的突变体IRE1αV918F仍旧具有正常的核酸酶活性，但是却不能结合ORIN1001。小鼠体内试验表明表达IRE1αV918F的肿瘤对ORIN1001完全没有响应。
这些数据表明。通过ORIN1001特异性抑制肿瘤细胞中的IRE1α是一种有效且安全的逆转KRAS抑制剂或MEK抑制剂耐药性的治疗策略。
蛋白质稳态调控网络重编程促进KRAS抑制剂耐药性
综上所述，这项研究系统性的揭示了驱动癌基因对蛋白质稳态网络的调控，并第一次阐明了蛋白质稳态网络重编程的分子机制。多种异质性的耐药机制汇集到进化保守的内质网应激感受器IRE1α去重建耐药细胞中的蛋白质稳态以促进KRAS抑制剂耐药性。通过ORIN1001靶向抑制多种耐药机制的共同下游节点IRE1α可以有效增强KRAS抑制剂的抗肿瘤效果并抑制肿瘤复发。鉴于病人肿瘤的高度异质性，临床上发生这种蛋白稳态重编程的具体病人比例和生物标记物有待于进一步的临床研究。
Chen lab 长期招收博士后，研究肿瘤免疫，应激和耐药的分子机制及临床转化，有意者请将简历投递到邮箱：xi.chen@bcm.edu
论文链接：
https://doi.org/10.1126/science.abn4180
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