“魔法剪刀”---Nature：磷酸化修饰组学揭示剪切因子YBX1促进JAK2突变肿瘤持续性增殖机制

精准医学与蛋白组学

2020.12.14

景杰学术 | 报道

题目：Splicing factor YBX1 mediates persistence of JAK2-mutated neoplasms

发表时间：2020年11月25日

期刊：Nature

影响因子：42.778

作者及单位：德国格赖夫斯瓦尔德大学的Florian H. Heidel和马克斯普朗克生物化学研究所的Matthias Mann等研究人员

主要结论：YBX1失活与JAK抑制联合使用，能诱导JAK2依赖的细胞凋亡，从而抑制体内恶性肿瘤增殖。

关键词：Janus激酶；YBX1；细胞凋亡；肿瘤增殖

Janus激酶 (JAKs) 是一类非受体酪氨酸激酶家族，介导对细胞因子、激素和生长因子的应答，对很多细胞过程包括造血细胞的发育至关重要。JAK基因JAK2在衰老的造血系统中经常发生突变，同时JAK2突变组成性激活下游信号传导，导致诸如骨髓增生性肿瘤 (MPN) 等血液相关癌症的发生。尽管JAK抑制剂治疗可降低MPN的炎症活性和过度增殖，但在实际临床治疗过程中仍然有JAK突变的克隆保持持续性增殖，并且其中调控机制并不清楚。

近日，来自德国格赖夫斯瓦尔德大学的Florian H. Heidel和马克斯普朗克生物化学研究所的Matthias Mann等研究人员合作在Nature上在线发表了最新研究论文。通过高深度磷酸化修饰组学分析，研究人员发现参与mRNA加工的蛋白YBX1为突变JAK的下游靶标，YBX1失活会促进RNA错误剪接、富集保留内含子以及ERK信号转录调控的紊乱并导致细胞对凋亡敏感。YBX1失活与JAK抑制联合使用，能诱导JAK2依赖的细胞凋亡，从而抑制体内恶性肿瘤增殖。

1. 磷酸化修饰组学鉴定mRNA加工蛋白YBX1是JAK2V617F下游靶标

首先为了鉴定突变JAK2激酶的下游作用分子，研究者通过质谱依赖的高深度磷酸化修饰组学（质谱策略）对表达促红细胞生成素受体和野生型JAK2 (JAK2WT) 或突变体JAK2-V617F (JAK2VF) 的小鼠造血细胞（样本策略）展开研究。通过促红细胞生成素处理以及促红细胞生成素联合JAK抑制剂 (ruxolitinib) 处理来研究JAK2VF和JAK2WT细胞应答的信号通路。结果共鉴定到4,135个蛋白上21,764个磷酸化位点，其中JAK2VF细胞中差异表达的蛋白和磷酸化位点分别有1,758和5,191个，包括已知的JAK2下游作用分子STAT5、STAT3和PIM等。GO富集分析 (gene ontology analysis) 显示，与JAK2WT相比，JAK2VF中富集最多的细胞过程为mRNA剪接和加工。进一步结合RNA敲低筛选以及细胞生存实验，研究者鉴定到mRNA加工蛋白YBX1是JAK2V617F下游作用分子。

图1 JAK2WT和突变体JAK2VF的磷酸化修饰组学研究

2. YBX1失活促使JAK抑制剂处理后的JAK2VF细胞凋亡

接下来研究者对JAK2VF中YBX1的功能展开研究。免疫组化结果显示，与正常骨髓相比，YBX1在76例诊断为JAK2突变MPN的患者活检样本中高表达。研究者构建了一个YBX1条件性敲除的小鼠模型并结合骨髓移植实验发现，移植了JAKVF突变但是敲除YBX1骨髓的接受者小鼠未诱发任何症状性疾病。同时在JAK2VF突变人细胞的异种移植模型中，YBX1失活并结合JAK2抑制能减少疾病发生并有效延长小鼠生存。以上结果表明，JAK抑制剂处理条件下JAK2突变的克隆细胞持续性增殖可以通过联合YBX1失活达到抑制增殖的作用。

图2 YBX1失活促使JAK抑制剂处理后的JAK2VF细胞凋亡

3. JAK2VF细胞中YBX1促进ERK信号关键蛋白mRNA剪切和转录调控

进一步对JAK2与YBX1之间的调控机制展开研究，作者发现YBX1的磷酸化依赖JAK2VF和MAPK1这两个激酶，同时YBX1和MAPK1的相互作用对YBX1入核以及JAK2抑制剂处理后细胞的持续增殖是非常重要的。后续结合RNA-seq，ChIP-seq以及一系列生理生化实验证明，JAK2VF细胞中，磷酸化YBX1入核后通过促进ERK信号通路关键蛋白MKNK1的转录和mRNA剪切，进而调控JAK抑制剂处理后JAK2突变体细胞的持续性增殖。

图3 JAK2VF细胞中YBX1促进ERK信号关键蛋白mRNA剪切和转录调控

4. Jak2突变的克隆选择性对ERK信号抑制敏感

研究者对敲低YBX1的JAK2VF细胞展开磷酸化修饰组学研究，结果显示，下调的磷酸化位点主要富集为ERK1/2、GSK3和CDK底物相关motif，其中MKNK1和MCL-1为ERK的关键作用靶标并且YBX1对于JAKVF细胞下游ERK信号的持续活化是必需的。最后在多个实验体系包括小鼠和人原代骨髓瘤细胞、小鼠移植瘤模型以及PDX模型中，联合ERK信号以及JAK抑制剂处理能有效促进细胞凋亡，减少肿瘤增殖。

图4 Jak2突变的克隆选择性对ERK信号抑制敏感

很多携带突变激酶的癌症可以通过激酶抑制剂靶向治疗，但是JAKs，一种在衰老造血系统和血液癌症中经常发生突变的激酶，其抑制剂处理却不能有效抑制肿瘤细胞增殖且机制不明。本篇文章基于高深度磷酸化修饰组学技术首次针对JAK2下游调控网络展开研究，发现JAK2依赖的YBX1磷酸化对于ERK信号通路中关键蛋白MKNK1 的mRNA的剪切以及JAK2突变细胞在JAK抑制剂处理后的持续性增殖是至关重要的。本篇研究揭示了一种细胞内在调控机制，即差异的蛋白磷酸化导致剪接依赖性的JAK2-ERK信号改变和JAK2V617F恶性克隆的增殖，同时靶向YBX1依赖的ERK信号并结合JAK抑制剂处理可以有效抑制肿瘤细胞增殖，为JAK2突变肿瘤的研究和临床治疗提供指导意义。

参考文献：

Ashok Kumar Jayavelu, et al. 2020. Splicing factor YBX1 mediates persistence of JAK2-mutated neoplasms. Nature.

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