撰文 | 阿童木
近二十年来，肺癌
（尤其是肺腺癌）
的分子分型研究取得了显著进展，通过识别驱动肿瘤发生的关键致癌基因突变，并开发相应的靶向治疗策略，
非小细胞肺癌
（
NSCLC
）
的治疗模式发生了革命性变化，肺癌死亡率也因此显著降低
【1】
。
间变性淋巴瘤激酶
（
ALK
）
基因融合是NSCLC的一种分子亚型，约占肺腺癌病例的4%–6%。ALK融合阳性
（ALK
+
）
在40岁以下的肺腺癌患者中约占三分之一，且与环境因素无明显相关性
【2】
。ALK基因位于2号染色体，染色体重排导致其与不同的非激酶融合形成嵌合融合蛋白。这种融合蛋白保留了ALK的C端酪氨酸激酶结构域，并因异常表达而持续激活下游促有丝分裂和抗凋亡信号通路，从而驱动肿瘤发生和进展
【3】
。
ALK
+
肺癌细胞对ALK信号高度依赖，并对
酪氨酸激酶抑制剂
（
TKI
）
表现出显著敏感性。目前已有五种ALK TKI获FDA批准用于晚期ALK+ NSCLC的治疗，其中洛拉替尼
（Lorlatinib）
被认为是当前针对ALK信号通路最显著的临床抑制剂
【4】
。与ALK类似，NSCLC发生过程中还存在其他致癌性酪氨酸激酶融合事件
（如ROS1、RET和TRKA/B/C等）
，并已开发出针对性的靶向治疗策略，但耐药性的出现仍不可避免。此外，
尽管已有研究揭示Kras会驱动NSCLC发生代谢重编程，但对于代谢依赖性如何影响靶向治疗中NSCLC对TKI的敏感性，仍缺乏明确的机制解析。
2025年2月6日，哈佛大学
Marcia C. Haigis
实验室等在
Cell
杂志发表了题为
GUK1 activation is a metabolic liability in lung cancer
的研究文章，
通过在ALK
+
患者来源的肺癌细胞系中进行磷酸化蛋白组学筛选，鉴定出GDP合成酶GUK1是影响致癌ALK信号以及介导对TKI治疗敏感性差异的潜在代谢靶点，并揭示了ALK
+
患者肿瘤组织中鸟嘌呤核苷酸的富集程度与GUK1的磷酸化水平显著相关，其磷酸化可促进核苷酸积累，增强G蛋白信号，并诱导肿瘤增殖
。
为了识别在ALK
+
NSCLC中介导TKI敏感性的细胞机制，作者在ALK
+
患者来源的细胞系中进行了磷酸化蛋白组学分析。结果表明，ALK TKI 洛拉替尼可显著降低ALK TKI敏感细胞中的蛋白酪氨酸磷酸化水平，而对耐药细胞和非ALK驱动细胞无明显影响。进一步分析发现，受ALK调控的代谢蛋白富集于核苷酸代谢通路，其中GUK1的磷酸化水平变化最为显著。GUK1负责催化GMP向GDP的转换，是GTP合成的关键酶。此外，
GUK1的Y74位点在ALK
+
细胞中被磷酸化
，而ALK抑制可导致该位点磷酸化水平显著下降，而总蛋白水平不变。因此，
GDP合成酶GUK1是致癌ALK信号的潜在代谢调控靶点
。
接下来作者验证了ALK对GUK1的直接调控作用。首先，ALK可在体外直接磷酸化GUK1并增强GUK1的酶活性，而洛拉替尼可阻断这一过程。在293T细胞中，EML4-ALK融合蛋白也会促进GUK1的磷酸化及酶活性。通过构建ALK失活突变体
（K315M）
，研究进一步证实了ALK的激酶活性对于GUK1磷酸化至关重要。另一方面，在患者来源的ALK
+
细胞系中，洛拉替尼处理能够降低GUK1的磷酸化水平和酶活性，进一步支持ALK介导GUK1磷酸化的结论。突变分析表明，Y74是GUK1主要的磷酸化位点，其磷酸化对于GUK1与ALK的相互作用及其酶活性的增强至关重要。因此，
ALK通过Y74位点直接磷酸化GUK1，并调控其酶活性。
为了进一步理解GUK1在Y74位点的磷酸化是如何调节酶活性的，作者进行了分子动力学模拟。结果表明，磷酸化稳定了GUK1的GMP结合域
(GMP-BD)
的helix 2，使其保持在一种有利于GMP结合的构象，从而促进GDP的形成。未磷酸化的GUK1的GMP-BD会发生坍塌，导致其无法有效结合GMP。点突变实验发现，GUK1的R65A突变体不仅降低了GUK1的磷酸化水平，还完全消除了其催化活性，而R169A突变体虽然不影响磷酸化，但同样消除了催化活性，这些突变体都降低了细胞内的GDP/GMP比率。此外，ALK激酶通过直接磷酸化GUK1的Y74位点，使其转变为非坍塌的催化构象，影响了酶活性。因此，
ALK介导的GUK1磷酸化在维持其结构稳定性方面起关键作用，并促进其向催化构象的转变
。
由于GUK1是哺乳动物中唯一负责GMP合成GDP的酶，作者分析了洛拉替尼是否影响ALK
+
患者来源细胞系中细胞内嘌呤代谢物的水平。结果表明，洛拉替尼治疗导致细胞内GMP水平升高，而GDP和GTP水平降低，表明GDP的合成受到抑制。同时，嘌呤补救途径的中间体的浓度也增加。同位素示踪实验进一步证实了洛拉替尼抑制ALK
+
细胞中GDP和GTP的生成。与此相反，在不表达ALK融合基因的细胞中，洛拉替尼对嘌呤代谢没有显著影响。此外，研究还发现EML4-ALK融合蛋白的过表达会显著影响核苷酸代谢，并增加细胞内GDP的浓度。这些结果表明，
ALK信号通路在调节细胞内嘌呤代谢和核苷酸水平方面发挥着重要作用，而ALK抑制剂可以通过影响这些代谢途径而起到治疗作用
。
进一步利用CRISPR-Cas9小鼠模型和患者肿瘤样本，作者发现ALK
+
肺肿瘤表现出独特的代谢特征，即GDP水平显著高于正常肺组织和Kras突变肿瘤。MALDI MSI分析证实了这一发现，表明
GDP在ALK+肿瘤区域特异性富集
。
与此相反，GMP水平没有显著变化，这暗示了ALK信号通路在调节肿瘤细胞代谢中的重要作用。此外，GUK1缺失或Y74F突变
（模拟非磷酸化状态）
导致细胞内GDP水平降低，肿瘤细胞增殖减缓。洛拉替尼等ALK抑制剂通过抑制ALK，下调了GUK1的磷酸化，降低了GDP水平，抑制肿瘤生长。携带非磷酸化GUK1
(Y74F)
的肿瘤在洛拉替尼停药后生长速度明显慢于携带磷酸化GUK1的肿瘤。这些结果表明，
GUK1磷酸化是ALK驱动的肿瘤生长和对ALK抑制剂产生耐药性的关键因素
。
MALDI MSI和IHC相结合的多重成像分析显示，ALK表达与GUK1磷酸化在肿瘤微环境中呈正相关，并同步影响GDP/GTP水平。
GUK1磷酸化不仅调控Ras-GTP和MAPK信号，还影响Ras和Rac1等GTP结合蛋白的激活
，
以非典型方式调控ALK
+
癌细胞中的多种GTP酶信号通路。此外，研究发现ROS1和RET融合基因亦可磷酸化GUK1的Y74位点，相应抑制剂可阻断该过程。GUK1在肺腺癌发生过程中的表达和拷贝数均增加，且高表达与患者生存期缩短显著相关。不仅如此，一些无已知驱动基因的肺癌样本中亦检测到pGUK1信号，提示GUK1磷酸化可能在更广泛的肺癌类型中发挥作用。
综上，本研究发现
ALK通过磷酸化GUK1（Y74位点）增强其催化活性，促进GDP合成，并上调了MAPK信号及Ras-GTP负载，促进了肿瘤的进展，而抑制GUK1磷酸化可降低GDP/GTP水平，削弱肿瘤细胞增殖。此外，其他致癌融合蛋白也可调控GUK1磷酸化，提示其在肿瘤代谢中的关键作用
。
本研究为基于代谢依赖性的肺癌精准治疗以及耐药性机制研究提供了新思路。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.024
制版人：十一
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N. Engl. J. Med.
383, 2018–2029.
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