Leukemia: 磷酸化组学揭示T细胞急性淋巴细胞白血病中JAK3突变的下游信号通路

编者按：T细胞急性淋巴细胞白血病（T-ALL）是一种多发于儿童和青少年的恶性肿瘤性疾病。虽然目前经过调整新的化疗方案，儿童T-ALL患者的长期生存率得到显著提高，但是却伴随着长期的毒副作用。在T-ALL中，白细胞介素7受体(IL7R)或Janus激酶3(JAK3)的突变频繁发生。在小鼠模型中，两者的突变都能够驱动癌细胞的转化和T-ALL的发生。然而，JAK3突变的下游信号通路变化仍不清楚。

近日，国际专业学术期刊Leukemia上发表了运用磷酸化蛋白质组学技术挖掘JAK3突变引起下游通路改变的研究。文章利用JAK3激酶抑制剂ruxolitinib和tofacitinib特异性抑制JAK3(L857Q)/(M511I)，对其进行磷酸化蛋白质组学鉴定与分析。发现在JAK3突变后，造成的的下游信号通路改变主要为丝/苏氨酸蛋白激酶（MEK/ERK）、磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸-3-激酶(PI3K)/AKT信号转导以及BCL2信号通路。

这些数据首次揭示了JAK3突变调控下游信号通路的详细分子机制，有助于人们认识组成型激酶活化所调控的致癌过程，为优化T-ALL的组合治疗方案提供新的思路。

疾病：T细胞急性淋巴细胞白血病

研究问题：JAK3突变的下游信号通路变化

研究策略：TMT定量磷酸化组

发表期刊：Leukemia

研究速读

1、JAK3激酶抑制剂处理后的蛋白磷酸化组分析

研究者首先利用JAK激酶的抑制剂ruxolitinb和tofacitinb对Ba/F3淋巴细胞JAK3(L857Q)进行处理，采用TMT标记的方法，对其进行蛋白质组学和磷酸化组学鉴定，技术路线如下图所示。

研究技术路线

研究者一共鉴定到6036个特异蛋白和2070个磷酸化蛋白，进一步对两种抑制剂处理的差异磷酸化位点进行深入分析，发现用tofacitinb抑制剂处理JAK3（L857Q）后，共鉴定到84个下调磷酸化位点和29个上调磷酸化位点。用ruxolitinb抑制剂处理JAK3(L857Q),共鉴定到86个下调磷酸化位点和20个上调磷酸化位点。

图1 Ba/F3淋巴细胞JAK3（L857Q）的定量磷酸化蛋白质组分析

2、综合网络分析磷酸化蛋白组学数据，鉴定下游信号通路

为进一步探索JAK3突变的下游信号通路，研究者运用GO聚类分析、KEGG等生物信息学手段对质谱数据进行分析，发现抑制剂tofacitinib处理JAK3（L857Q）后，丝/苏氨酸蛋白激酶（MEK/ERK）、磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸-3-激酶(PI3K)/AKT信号转导以及BCL2信号通路发生显著改变。此外，参与DNA甲基化及转录抑制、癌症分子机理、细胞凋亡以及DNA损伤修复等通路也都得到富集。

 

图2 突变JAK3的下游磷酸化蛋白网络分析

3、验证JAK3突变导致的下游通路改变

为了验证JAK3突变引起的信号通路主要为ERK/MAPK、PI3K/AKT和BCL2。研究者选择JAK3的两种突变类型：JAK3（M511l）和JAK3（L857Q）两种突变类型作为研究对象，选择Bcl-2信号的抑制剂ABT-199、PI3K信号的抑制剂buparlisib以及MEK信号的抑制剂selmuetinib和trametinib与JAK3的抑制剂tofacitinib进行不同组合处理研究。

研究发现分别用JAK3抑制剂tofacitinib和其他通路的四种抑制剂处理后，细胞的增殖都受到抑制，并且抑制效果具有协同效应。该研究结果证明JAK3突变后导致的下游信号通路的改变确实主要为ERK/MAPK、PI3K/AKT和Bcl-2。

 图3 不同抑制剂的组合处理对Ba/F3细胞增殖的影响

4、在JAK3突变的PDX样本中进一步验证

人源性肿瘤组织异种移植（patient-derived xenografts，PDX）是指将患者的新鲜肿瘤组织或细胞经处理后移植到免疫缺陷鼠上，依靠小鼠提供的微环境进行生长。PDX模型保持病人肿瘤的组织病理学特征和肿瘤遗传学特征，为肿瘤的生物学研究、诊断标志物的寻找和药物筛选提供了一个重要的体内模型。

为了本研究结果更具临床意义，且再次验证JAK3突变后造成的下游信号通路改变的结果，研究者在PDX样本中，同样用JAK3激酶抑制剂、MEK激酶抑制剂以及BCL2抑制剂进行处理。研究结果显示，不同抑制剂的不同浓度组合表现出协同性，说明两种抑制剂具有互补性，进一步证明JAK3突变后对下游ERK/MAPK、PI3K/AKT和BCL2信号通路的影响。

图4 Tofacitinib与MEK或Bcl-2抑制剂不同浓度组合对细胞毒性的影响

总结

本文作者运用磷酸化蛋白质组学探究了Ba/F3淋巴细胞癌变过程中，JAK3突变造成的的下游信号通路改变主要为丝/苏氨酸蛋白激酶（MEK/ERK）、磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸-3-激酶(PI3K)/AKT信号转导以及BCL2信号通路。为了进一步证实JAK3突变对下游信号通路MEK/ERK、PI3K/AKT和BCL2的影响，作者进一步在小鼠模型和PDX模型中，用MEK/ERK、PI3K和BCL2的抑制剂与JAK3抑制剂进行处理比较，进一步证实该结果。

本篇研究揭示了JAK3突变调控下游信号通路的详细分子机制，有助于人们认识组成型激酶活化所调控的致癌过程，为优化T-ALL的组合治疗方案提供新的思路。研究通过蛋白组学，将信号通路、疾病遗传物质与机理联系起来，同样揭示了基于质谱的蛋白质组学与磷酸化组学，在疾病机理研究与生命活动变化中的重要应用价值。

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参考文献：

Degryse, S., et al. (2017). Mutant jak3 phosphoproteomic profiling predicts synergism between jak3 inhibitors and mek/bcl2 inhibitors for the treatment of t-cell acute lymphoblastic leukemia. Leukemia, 32(3).

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