确定LKB1-MARK3通路为卵巢癌的潜在新治疗目标 - RIKEN等

理化学研究所于2月7日宣布，它利用医学大数据和计算机科学确定了LKB1-MARK3途径作为卵巢癌的新治疗目标。 这项研究由Hidenori Machino博士、Ryuji Hamamoto博士、Masaaki Komatsu博士、Ken Asada博士、国立癌症中心研究所单位负责人Shuzo Kaneko博士、中央医院妇科肿瘤科负责人Tomoyasu Kato博士和国立癌症中心研究所病理和诊断科负责人Hiroshi Yoshida博士进行。 这项研究是由一个国际研究小组进行的，包括东京大学医院的Kenbun Sone博士、Katsutoshi Oda博士和Jo Osuga博士。 该研究结果已在线发表在《通信生物学》上。

高度非典型浆液性卵巢癌是最常见的妇科恶性肿瘤，预后最差，占所有卵巢癌死亡人数的70-80%。 最近的基因组分析表明，几乎所有高度异质性的浆液性卵巢癌病例都有肿瘤抑制基因TP53的失活突变，导致染色体不稳定造成的基因组结构广泛异常。 这些患者中约有一半人的同源重组修复途径中的分子表达改变或功能异常，而PARP抑制剂已被证明是一种有效的治疗方法，但其余一半患者的治疗目标尚未完全确定。

此外，已发现高度非典型浆液性卵巢癌的基因组点突变频率很低，但由于染色体不稳定而频繁发生拷贝数改变。 这意味着专注于单个基因突变的传统方法可能不会再发现任何新的治疗目标。 因此，该国际研究小组决定，有必要根据 "大数据分析 "对基因表达的变化进行定量评估，这是一种使用各种算法的计算机分析。

发现MARK3基因表达的减少与临床预后的恶化有关

该国际研究小组对包含大规模微阵列数据、RNA-seq数据和临床信息的多个数据库进行了综合分析，以比较高度非典型浆液性卵巢癌的癌变和正常卵巢组织的基因表达水平。 构建了一个新的分析平台，提取其基因表达变化影响临床预后的基因。 结果显示，LKB1-MARK3通路的MARK3基因在高度不典型的浆液性卵巢癌中被抑制，基因表达的降低与临床预后的恶化有关。

蛋白质MARK3是一种丝氨酸苏氨酸激酶，被归类为AMPK相关激酶(磷酸转移酶)，已知可通过蛋白质LKB1的直接磷酸化修饰而被激活，但卵巢癌中LKB1-MARK3途径的异常尚未有报道。

为了在临床上验证大数据分析的结果，我们评估了LKB1和MARK3在正常组织(输卵管上皮细胞)、癌前病变(上皮内癌)和高度不典型浆液性卵巢癌的患者来源样本中的蛋白表达水平。 结果显示，LKB1和MARK3在正常组织中都有表达，而LKB1在癌前病变(上皮内癌)中表达减少，MARK3在浸润性癌中表达减少。

MARK3 < 磷酸化CDC25B的323Ser < 抑制核转位 < 诱导G2/M期停滞

接下来，为了分析MARK3的功能，我们使用RNA-seq评估了MARK3在卵巢癌细胞系(OVCAR3)中强制表达的影响。KEGG途径分析显示，MARK3的强制表达减少了一组涉及细胞周期途径的基因的表达。 .

为了阐明MARK3影响细胞周期的机制，我们利用磷酸化图案分析来寻找MARK3可以磷酸化并作为激酶修改的新底物。 有趣的是，我们发现MARK3可以磷酸化和修饰CDC25B，而CDC25B调节细胞周期的G2/M期转换，并通过激酶实验验证了这一点。 结果显示，MARK3确实直接磷酸化了CDC25B的丝氨酸323。 在功能上，MARK3通过磷酸化CDC25B的丝氨酸323来抑制CDC25B的核转位，这可能在诱导细胞周期的G2/M期停止中发挥作用。

LKB1-MARK3途径是一个参与蛋白质合成途径的代谢应激反应性细胞周期检查点

MARK3磷酸化CDC25家族成员的功能与DNA损伤反应性细胞周期检查点激酶(如CHEK1)相似，后者在细胞遭受DNA损伤时通过磷酸化CDC25家族成员诱导细胞周期停滞。

我们假设MARK3也是一个细胞周期检查点激酶，在应对某些细胞压力时调节细胞周期，并评估了MARK3是否在应对各种压力诱导剂时被激活。 他们发现，MARK3在对蛋白质合成抑制剂安赛蜜和模仿缺陷蛋白质积累的内质网压力诱导剂Thapsigargin的作用下被激活。 有趣的是，当与激活DNA损伤反应性检查点激酶(如CHEK1)的DNA损伤诱导剂反应时，MARK3没有被激活。

当MARK3基因上游的LKB1基因被敲除时，没有发生安赛蜜因对MARK3的激活。 此外，在MARK3基因被敲除的细胞系中，安赛蜜和硫糖铝的抗肿瘤作用被证明得到了加强。 总之，LKB1-MARK3途径被认为是一个 "细胞周期检查点"，对与蛋白质合成途径有关的代谢压力作出反应。

强制表达MARK3在卵巢癌细胞和小鼠中的抗肿瘤作用得到证实

为了进一步阐明MARK3对细胞的影响，研究人员使用ATAC-seq，一种全面的染色质结构分析方法，从强行表达MARK3的卵巢癌细胞系(OVCAR3)中获取染色质结构信息，并进行转录因子图案分析。 结果表明，强制表达MARK3降低了由JUN和FOS组成的AP-1复合物的DNA结合活性，Western blotting显示JUN的磷酸化修饰被削弱。

此外，据报道，AP-1复合物与Hippo信号中的转录因子相互作用，本研究获得的RNA-seq数据也显示，MARK3的强制表达降低了Hippo信号中目标基因的表达。 这些结果表明，MARK3通过抑制卵巢癌细胞系中AP-1复合物和Hippo信号靶基因的表达而发挥其抗肿瘤作用。

最后，将强制表达MARK3的卵巢癌细胞系(OVCAR3)移植到小鼠的皮下组织中，与对照组相比，显著抑制了肿瘤的形成和血管生成，表明MARK3在体内具有强大的抗肿瘤作用。

LKB1-MARK3通路是一个有希望的癌症新治疗目标

该研究利用理化所创新智能综合研究中心的领先信息科学技术，对医疗大数据进行分析，并利用传统的医学研究方法对结果进行验证。 这些结果表明，在癌症研究中结合信息科学和医学的跨学科研究方法的重要性。

卵巢癌是最常见的妇科恶性肿瘤之一，因此非常需要开发有效的治疗方法。 在这项研究中，我们通过引入关注正常和癌变组织中基因表达信息的大数据分析方法，成功地发现了卵巢癌中LKB1-MARK3通路的一种先前未知的功能异常。 这种大数据分析方法可以应用于寻找不同癌症类型和疾病的原因。

此外，这项研究首次报告了LKB1-MARK3途径是一个细胞周期检查点，对蛋白质合成途径的代谢压力作出反应。 研究人员认为："应激反应检查点功能失调的癌症往往更容易受到细胞压力的影响，预后更差，因此LKB1-MARK3途径作为癌症的新治疗目标可能变得越来越重要。