前言
癌基因KRAS是RAS基因亚家族的一员，RAS基因通常在人类癌症中发生突变，包括肺腺癌。RAS基因编码膜定位的G蛋白，是几个信号级联的组成部分，包括Raf-MEK-ERK信号转导通路。KRAS引起的代谢变化被认为在癌症的增殖和存活中起着至关重要的作用，但KRAS对肺腺癌脂肪生成的调控作用尚不明确。MSI作为一种工具已经被广泛研究，它可以将癌组织与正常组织区分开来，并对各种肿瘤进行分类。在本研究中，作者使用解吸电喷雾电离质谱成像(DESI-MSI)分析kras驱动的肺代谢，并结合基因表达分析、纳米级蛋白质组学和MSI分析来研究肺癌中KRAS突变和脂质特征之间的关系。证实了用治疗剂阻断FASN可以防止kras相关的肺癌细胞增殖。
本篇来自于美国斯坦福大学医学院肿瘤学系Dean W. Felsher教授课题组在PNAS 期刊（IF:12.779）发表的题为“Oncogene KRAS activates fatty acid synthase, resulting inspecific ERK and lipid signatures associated with lung adenocarcinoma”的研究成果，通过空间代谢组学（DESI-MSI技术）、蛋白质组学研究方法，确定了脂肪生成的具体变化和特定的脂类。
研究思路
研究结果
1.KRAS诱导小鼠和人肺腺癌脂肪生成
利用Tet系统在小鼠肺上皮中有条件地表达KRAS基因突变，导致肺腺癌。作者检测了169个微阵列探针识别的13种代谢途径，这些肿瘤的基因表达分析显示许多代谢基因的表达增加。作者发现FA合成途径中的大部分基因都位于差异表达前15位的基因中(图1B)。在被诱导的脂肪生成基因中，作者注意到三个特别重要的基因。FASN是FA合成的调控位点，SCD是该通路中的最后一个酶)(图1C)。SREBP是一种转录因子，可诱导FA、甲戊二酸和胆固醇合成相关基因(26,27)。通过定量PCR (qPCR)确认FASN、SCD和SREBP的诱导(图1C)。因此，KRAS可诱导小鼠肺腺癌中的脂肪生成途径。
接下来，在kras阳性或阴性的人肺腺癌中检测脂肪生成相关基因。kras阳性和阴性肿瘤都过表达脂肪生成基因(图2)。这种过表达可能反映了高增殖细胞中FA合成的必要性。SREBP在kras阴性肿瘤中升高较多，而SCD在kras阳性肿瘤中升高较多。FASN在两方面都被高度上调。因此，在人kras相关肺腺癌中观察到脂肪生成基因的诱导。
图1 | kras诱导的小鼠肺癌中的脂肪生成
图2 | 相对mRNA表达量
2.kras阳性与阴性肿瘤表现出独特的ERK蛋白特征
KRAS阳性和阴性的肺肿瘤表现为ERK2和ERK1的激活(图3 A和B)。与匹配的正常肺组织相比，KRAS阳性的肿瘤表现为pERK2a、pERK2b和ERK2的增加，而KRAS阴性的肿瘤表现出ppERK1的增加和ERK1水平的降低(图3 C和D)。因此，作者实现了KRAS对各种ERK磷酸异型的不同激活之间的区别。这证实了KRAS诱导ERK的先前观察结果。
图3 | NIA ERK蛋白特征
(A)正常vs.人类KRAS相关肺癌组织(n = 6)；
(B)正常vs.人类非KRAS肺癌组织(n = 6)，以及(C) KRAS肿瘤和(D)非KRAS肿瘤中总ERK的百分比。* P值经t检验有统计学意义，P<0.05。** P值经t检验有统计学意义，P<0.01。
3.kras阳性肿瘤表现出独特的脂质谱
在kras阳性的小鼠和人肺腺癌上进行空间代谢组学DESI-MSI检测(图S1)。从含有KRAS条件激活系统的转基因小鼠模型中收获组织(图S2)。作者展示了kras诱导的肺腺癌组织样本和对照正常肺组织的组织样本的代表性质谱和选定的2D离子图像(图4和图S3)。从kras诱导的肺腺癌样本的二维离子图像(图4A)中可以看到，在肿瘤组织切片的特定区域可见高相对强度的脂离子。经H&Estained 染色的邻近组织切片的组织病理学评估证实，高脂质强度区域与肿瘤细胞聚集区域密切相关(图S3)。从这些肿瘤区域提取的DESI质谱与正常肺组织的质谱相比有差异(图4B)。研究结果表明，KRAS诱导脂质过表达，包括FAs和磷脂，并与不同于正常肺组织的脂质谱相关。
图4 | 脂质DESI质谱:小鼠肿瘤病灶(上)与正常小鼠肺组织的脂质过表达图像(下)
4.肺癌细胞增殖需要kras相关的FASN诱导
以人肺腺癌相关细胞系A549和H1299细胞为kras阳性对照。由于作者之前发现KRAS激活ERK和FA合成基因，作者将ERK抑制剂SCH772984应用于这两种细胞系，并发现FASN和SCD受到抑制(图5A)。此外，使用S-trans,transfarnesylthiosalicylic acid (FTS)抑制KRAS可以通过qPCR检测，以剂量依赖性的方式降低FASN和SCD的基因表达(图5B)。最后，通过碘化丙醇法和血细胞计测定，蓝藻素治疗KRAS突变的人肺腺癌细胞系A549和H1299导致增殖下降(图6)。因此，抑制FASN可能是KRAS相关肺肿瘤的一种潜在治疗方法。
图5 | FASN和SCD对(A) ERK抑制的相对mRNA表达SCH772984 (n = 3)和(B) FTS对人肺癌细胞系KRAS的抑制(n = 3)。*P值< 0.05。**P值< 0.01。
相关讨论
研究通过qPCR检测的FASN基因表达，识别出NIA的ERK1磷酸异型的存在。KRAS与FTS的抑制阻断FASN表达，导致脂肪生成减少。研究确定了kras阳性肺腺癌的独特基因表达以及蛋白质组学和脂质特征，并猜测KRAS基因在因果上控制脂肪生成。研究结果表明，该信号通过诱导FASN诱导脂肪生成，并由ERK介导。通过NIA, ERK1和ERK2蛋白激活能够在临床标本中区分kras阳性和阴性肿瘤。因此，kras诱导的肺腺癌可能对FASN的靶向治疗抑制特别敏感。这需要更多的临床工作来验证这一假设。
研究结论
研究利用转基因小鼠和人肺标本研究了癌基因KRAS基因突变诱导的肺肿瘤。基因表达分析表明KRAS可诱导脂肪酸合成酶(FASN)，促进脂肪生成。通过解吸电喷雾电离质谱成像空间代谢组学，发现KRAS肺腺癌中有特异性脂质修饰。纳米免疫分析鉴定了kras相关的特异性磷蛋白特征。KRAS能激活ERK2蛋白，而非KRAS肺腺癌显示ERK1升高。通过一种小分子——蓝蛋白来抑制FASN，这种抑制阻止了kras驱动的肺癌细胞的增殖。因此，FASN抑制剂可能为kras相关肺腺癌的治疗提供了有前途的治疗药物。
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肺腺癌（ lung adenocarcinoma ）是肺癌的一种，属于非小细胞癌。虽然已经有多种免疫疗法已经EGFR靶向治疗药物在临床上使用，但是疗效欠佳。文章利用空间代谢组学+蛋白质组学分析发现KRAS激活了脂肪生成，并且这种激活导致了不同的蛋白质组学和脂质特征。实验发现KRAS与脂肪生成基因特征和脂肪酸合成酶(FASN)特异性诱导相关。证实了FASN可能是kras相关肺腺癌治疗的一个独特靶点。为肺腺癌的新药研究提供了新的思路。
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