凯斯西储大学医学院的研究人员发现了特定的蛋白质区域如何导致乳腺癌。
来自美国凯斯西储大学（Case Western Reserve University）的研究人员在国际顶级学术期刊《Nature》上发表了一篇题为《The sequence–structure–function relationship of intrinsic ERα disorder》的研究论文。该研究深入探讨了雌激素受体α（ERα）的内在无序性与其功能之间的关系，这对于理解乳腺癌的发病机制以及开发新的治疗策略具有重要意义。该研究不仅揭示了ERα在分子水平上的复杂调控机制，还为未来的药物研发提供了新的靶点和理论基础。
本研究聚焦于雌激素受体α（ERα），特别是其N端转录激活域（NTD）的Ser118磷酸化对ERα活性的影响。研究发现，Ser118的磷酸化通过破坏芳香族氨基酸簇之间的疏水相互作用，引发ERα-NTD的构象变化，进而影响ERα介导的转录活性。这一发现不仅阐明了磷酸化在转录因子功能中的调控作用，还为开发针对ERα-NTD的直接靶向治疗提供了可能。
乳腺癌是全球女性癌症相关死亡的首要原因，其中大多数为雌激素受体阳性（ER+）。Ser118的磷酸化使ER能够在无配体的情况下被激活，这一过程在乳腺癌的治疗抵抗中起着关键作用。尽管CDK7抑制剂在临床试验中显示出潜力，但磷酸化驱动激活的机制尚不清楚。本研究旨在揭示Ser118磷酸化如何通过影响ERα-NTD的构象来调节ERα的活性。
研究人员采用了多种生物物理技术，包括尺寸排阻色谱-小角X射线散射（SEC-SAXS）和核磁共振（NMR）光谱学，来表征ERα-NTD的生物物理特性。通过这些技术，研究人员能够精确测量ERα-NTD的尺寸参数，并分析其结构无序性。此外，研究人员还利用了paramagnetic relaxation enhancement (PRE) 测量来研究氨基酸簇之间的相互作用，并通过体外蛋白磷酸化实验来研究Ser118磷酸化对ERα-NTD构象的影响。
氨基酸簇的残基结构
通过SEC-SAXS和NMR分析，研究人员发现ERα-NTD具有特定的生物物理特性，包括两个具有限制性主链流动性的区域（簇I和簇II），这些区域对应于残基结构，解释了SEC-SAXS数据中观察到的紧凑构象。
疏水芳香簇
通过PRE测量发现，簇I和簇II之间的相互作用表明残基结构起源于芳香氨基酸簇之间的特定疏水相互作用，这些相互作用桥接了这些富含芳香族的区域。
pSer118驱动簇分离
研究发现，pSer118通过增加簇I和簇II之间的分离来触发ERα-NTD的构象变化，同时保持局部簇的完整性。这一发现表明，磷酸化通过增加簇分离来促进ERα-NTD的扩张。
疏水破坏簇相互作用
疏水破坏作为主要机制，包括非离子洗涤剂DDM的使用、Ser118附近的丙氨酸替代以及簇I中的丙氨酸突变，实验表明疏水相互作用的破坏是结构变化的主要驱动力。
疏水恢复ER功能
研究人员比较了磷酸化缺陷（S118A）和磷酸模拟（S118D）突变，发现S118D表现出比S118A更强的转录活性。此外，S118A/F120A和S118A/L121A双突变恢复了S118A受损的转录功能，表明疏水相互作用的破坏可以模拟磷酸化效应，恢复功能缺陷。
疏水突变调节辅因子相互作用和细胞生长
pSer118和F120A显著减少了ERα-NTD与TIF2-QRD的相互作用。在TFF1启动子上，S118A增强了TIF2的募集，而S118D和疏水突变逆转了这一效应，同时保持了与WT类似的启动子结合。这些结果表明，ERα-NTD的疏水簇调节辅因子相互作用和转录活性。
细胞生长的表型恢复
最后，研究人员进一步探讨了F120A和L121A突变对MCF7细胞生长和集落形成的影响。S118A未能促进生长，而S118D的生长促进能力与WT ER相当或更高。F120A或L121A与S118A的组合恢复了与WT和S118D相当的生长促进能力。此外，Y52A/Y54A和Y60A/F62A突变也恢复了S118A受损的细胞生长和集落形成，支持了疏水破坏效应在两个簇中的作用。
研究结论与讨论
本研究揭示了Ser118磷酸化如何通过影响ERα-NTD的疏水簇来调节其构象和功能。这一发现不仅扩展了我们对磷酸化在转录因子功能中作用的理解，还为开发针对ERα-NTD的直接靶向治疗提供了新的策略。研究结果强调了疏水相互作用在磷酸化诱导的ERα-NTD变化中的主要作用，并为未来的药物研发提供了新的靶点。通过破坏疏水相互作用，可以模拟磷酸化效应，恢复因磷酸化缺陷导致的功能障碍，这为乳腺癌的治疗提供了新的思路和方法。
“就像机器需要特定的控制来运作一样，像雌激素受体这样的蛋白质控制着细胞的生长和行为，”凯斯综合癌症中心成员、医学院营养学副教授Sichun Yang说。“我们在雌激素受体中发现了以前未知的‘分子开关’，这些开关虽然灵活，但却以惊人的精度协同工作，协调细胞过程。改变蛋白质的一部分可以引发连锁反应，影响乳腺癌细胞的生长。”
虽然可能需要更多的研究来利用他们的发现来开发新的治疗方法，但这一发现为科学家提供了远远超出乳腺癌的新工具和想法，因为类似的蛋白质区域涉及许多其他疾病。
“不是简单地关闭雌激素受体，”Sichun Yang说，“未来的药物可能会针对这些新发现的开关而设计，为控制蛋白质的工作方式提供新的方法。”
研究小组使用来自阿贡国家实验室先进光子源和国家同步加速器光源II的小角度x射线散射和核磁共振波谱工具对蛋白质开关进行了非常详细的研究。这项合作包括来自亚利桑那州立大学和俄亥俄州立大学的研究人员。美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）、美国癌症协会（American Cancer Society）和玫琳凯爱施基金会（Mary Kay Ash Foundation）也提供了额外的支持。
“Yang的工作强调了利用尖端技术和团队合作来回答重大科学问题的重要性，”医学院蛋白质组学和生物信息学中心主任Mark Chance说。“这些国家设施使我们能够取得突破，推动新的癌症治疗方法。”
参考文献
The sequence–structure–function relationship of intrinsic ERα disorder
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