Nature cell biology（IF=21.3）tRNA合成酶促进黑色素瘤的治疗抵抗-给我免费播放片高清在线观看生物丨数谱生物

Nature cell biology（IF=21.3）tRNA合成酶促进黑色素瘤的治疗抵抗

近日，比利时列日大学 GIGA 研究所癌症信號實驗室的首席研究員Pierre Close及研究團隊在國際著名學術期刊Nature cell biology(IF=21.3)雜誌發表了題爲“Valine aminoacyl-tRNA synthetase promotes therapy resistance in melanoma”的研究文章。

tRNA的動態表達以密碼子特異性的方式調控mRNA的翻譯，影响癌症发展。特定的氨酰-tRNA合成酶可以促進或抑制腫瘤發生。在黑色素瘤中，对MAPK靶向治療產生的耐藥引起了密碼子偏倚的翻譯重編程，文章结果显示缬氨酰-tRNA合成酶（VARS）在该过程发挥关键作用。作者利用Arraystar rtStar™ PCR 系列試劑研究發現，對纈氨酸的使用偏好、相应的缬氨酸cognate tRNA及VARS表達的上調導致患者來源的MAPK治療耐藥黑色素瘤中發生蛋白質組的重構。In vivo和in vitro功能研究發現，VARS敲低使得對MAPK治療耐藥的黑色素瘤對MAPK治療重新敏感化。机制研究发现，VARS調節了富含纈氨酸的轉錄本的mRNA翻譯，其中羥丙酰CoA脫氫酶mRNA編碼了脂肪酸氧化中的關鍵酶。抗药性黑色素瘤培养依赖脂肪酸氧化和羟丙酰CoA脫氫酶來在MAPK處理中維持其生存。总之，文章数据表明VARS可能是治療耐藥黑色素瘤的潛在靶點。（给我免费播放片高清在线观看|數譜生物提供採用Arraystar 試劑和技術的tRNA測序和tRNA PCR服務）。

研究背景

患有BRAFV600E型黑色素瘤的患者約佔人類黑色素瘤的50%，携带着常规的MAPK信號激活，并且符合接受MAPK靶向治療的條件。尽管治疗反应率高達70%，但由於獲得性藥物耐藥性的產生，患者在經過數月的治療後會出現疾病進展。除了基因突变外，非遗传适应机制在治療耐藥性中起到了一定作用，例如tRNA修飾、表达及氨酰-tRNA合成酶（aaRSs）的變化。

tRNA分子和氨酰-tRNA合成酶（aaRSs）在各種疾病，尤其是癌症的形成、進展和轉移中起着重要作用。tRNA氨酰轉移酶將氨基酸加載到相應的tRNA上，确保蛋白质合成的准确性。最近的研究揭示了aaRS在癌症中可作爲潛在的治療靶點：在胰腺腫瘤細胞中敲低蘇氨酸氨基酰-tRNA合成酶可以抑制致癌蛋白mucin-1（富含苏氨酸）的表達，有利于癌细胞的迁移；脯氨酸tRNA氨酰轉移酶的抑制劑能夠通過阻斷膠原蛋白（富含脯氨酸）的生物合成、預防細胞纖維化。

這篇文章闡明瞭在BRAFV600E黑色素瘤對MAPK治療產生耐藥性時發生的翻譯重編程過程，揭示了驱动药物耐药的关键机制。作者结合定量蛋白質組學、Ribo-seq、tRNA測序和qPCR驗證，证明了缬氨酸氨酰-tRNA合成酶（VARS）通过调节tRNA表達水平調控特定mRNA翻譯，最终影响肿瘤细胞耐药性的产生。

實驗思路

實驗方法

1.高通量篩選：耐药黑色素瘤蛋白质组和tRNA測序分析

在與MAPK治療耐藥（RES）患者vs對照組（SENS）黑色素瘤中進行定量蛋白質組學分析（图1A）。GSEA分析證實膽固醇穩態、上皮-間質轉換和脂肪酸（FA）代谢途径在RES組中呈上調趨勢。在耐藥組中，缬氨酸、丙氨酸和酪氨酸在上调蛋白质中顯著富集，且天冬氨酸、纈氨酸、丙氨酸、異亮氨酸密碼子在上調蛋白質對應的轉錄本中都顯著富集。以此推測，携带特定氨基酸的tRNA表達變化會與蛋白質組變化相呼應，支持肿瘤的进展和转移。文章對SENS和RES黑色素瘤腫瘤細胞進行了tRNA測序，觀察到tRNA表達水平存在顯著差異（图1B）。其中，tRNA-Val-CAC isoacceptor顯著上調，并与编码RES培養中上調蛋白質的轉錄本中特異富集的GTG密碼子相關。通過tRNA RT-qPCR驗證了患者黑色素瘤樣本中tRNA-Val-CAC的上調（图1C）。总的来说，这些发现突显了缬氨酸及攜帶它的tRNA在耐藥黑色素瘤中的重要性。

文章進而對蛋白組學中tRNA氨酰轉移酶進行分析，发现RES組VARS（缬氨酸tRNA氨酰轉移酶）的表達水平顯著上調，這與tRNA-Val的增加以及在RES培養物中上調蛋白質中纈氨酸的富集一致。在与其SENS對應物相比，RES M395、MM029和MM099黑色素瘤培養物中的VARS蛋白表達增強，并且与VARS氨酰化活性的增加相關。TCGA數據庫中，相比于正常黑色素细胞，VARS在腫瘤中顯著上調。高VARS表達與黑色素瘤患者的較低總體生存率相關聯（图1D）。

2.功能研究：VARS影響黑色素瘤細胞對MAPK療法的抵抗

In vitro功能實驗發現，敲低VARS使多種RES黑色素瘤細胞對BRAF抑制劑呈顯著的劑量依賴性再敏感化（图2A）。In vivo功能實驗發現，VARS敲低的RES A375細胞植入NOD-SCID小鼠，并注射维姆拉非尼显著抑制肿瘤的生长（图2B）。因此，VARS的消耗與MAPK療法協同作用，在体外限制黑色素瘤的存活，并在体内治疗时限制抗药性黑色素瘤的生长。

3.機制研究：VARS調控富含纈氨酸的mRNA翻譯進而調控FA氧化
爲了評估在RES M395細胞中敲低VARS是否會影響特定mRNA的翻譯，文章進行了Ribo-seq，并根據它們在纈氨酸密碼子中的豐富程度對轉錄本進行了進一步分類（前25%和後25%），發現VARS敲低導致富含纈氨酸轉錄本的核糖體佔據顯著且特異地減少（图3AB）。

將VARS敲低前後的蛋白質組學與轉錄組學數據整合（图3C），发现VARS翻譯的特徵指標（蛋白下调， mRNA不變且富含纈氨酸）在MAPK治療抵抗相關的FA代謝和mTORC1信號傳導等多條通路富集（图4A）；其中羟丙酰CoA脫氫酶（HADH）与脂肪生成、FA代謝相關，可作为后续黑色素瘤抵抗的VARS靶點（图4BC）。在RES M395培養物中敲低VARS或HADH，可以降低FA氧化活性（图4D），使RES M395重新對BRAFi敏感，表明VARS通過調節HADH mRNA翻譯在抵抗性黑色素瘤培養物中調節FA氧化。

結果展示

1. 高通量篩選：耐药黑色素瘤蛋白质组和tRNA測序分析

圖1. A.火山圖顯示對vemurafenib敏感或耐藥的黑色素瘤M395細胞的蛋白組學差異指標；B. 柱形圖顯示黑色素瘤M395敏感或耐藥的細胞中tRNA測序差異tRNA isoacceptors；C. qPCR驗證顯示tRNA-Val-CAC在多種黑色素瘤耐藥細胞中上調；D. KM生存分析顯示VARS高表達與黑色素瘤患者的較差預後相關聯

2. 功能研究VARS影響黑色素瘤細胞對MAPK療法的抵抗

圖2. A. In vitro實驗表明，BRAF/MEK抑制劑抵抗的黑色素瘤患者來源的腫瘤細胞中敲低VARS使得其對抑制劑治療呈顯著的劑量依賴性再敏感化；B. 將VARS敲低的RES A375細胞植入NOD-SCID小鼠，并注射BRAF抑制劑可顯著抑制黑色素瘤的生長。

3. 機制實驗證明VARS調控富含纈氨酸的mRNA翻譯

圖3. A. 小提琴圖顯示ribo-seq中，敲低VARS前後富含纈氨酸轉錄本的核糖體佔據顯著減少； B. 火山圖顯示Ribo-seq中，敲低VARS前後VARS翻譯的特徵指標核糖體佔據顯著下調；C. VARS敲低前後的蛋白質組學與轉錄組學四象限圖顯示VARS翻譯的特徵指標蛋白水平顯著下調。

4. 機制實驗證明VARS調控HADH的mRNA翻譯進而影響FA氧化

圖4. A. GO富集分析顯示富含纈氨酸的VARS翻譯特徵基因富集於mTOR、脂肪生成、FA代謝等條目；B.C. Ribo-seq和WB顯示VARS影響的翻譯特徵基因中包含HADH；D.氧化活性測定實驗顯示耐藥黑色素瘤細胞中HADH敲除抑制FA氧化。

研究意義

本研究通過蛋白組學和tRNA測序研究耐藥黑色素瘤，发现缬氨酸在上调蛋白富集且tRNA-Val-CAC上調，通过Arraystar rtStar™ PCR 系列試劑對tRNA表達水平進行了驗證，相应的参与FA代謝、且富含缬氨酸的蛋白也有普遍上调，生存分析提示VARS蛋白在耐藥RES組上調且其高表達與黑色素瘤不良預後相關。tRNA-Val-CAC和VARS的上調促進纈氨酸富集的FA代謝相關轉錄本翻譯水平提高，其中包括羟丙酰CoA脫氫酶HADH，而HADH上調促進了FA氧化活性，最终促进黑色素瘤MAPK抑制劑耐藥。总的来说，文章详细研究了VARS作爲黑色素瘤靶向治療抵抗的推動因素，并为RES黑色素瘤患者提供了具有吸引力的治療機會。

原文出處

https://www.nature.com/articles/s41556-024-01439-2

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