摘要：凱斯西儲大學醫學院的研究人員發現了特定的蛋白質區域如何導致乳腺癌。
來自美國凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）的研究人員在國際頂級學術期刊《Nature》上發表了一篇題為《The sequence–structure–function relationship of intrinsic ERα disorder》的研究論文。該研究深入探討了雌激素受體α（ERα）的內在無序性與其功能之間的關系，這對于理解乳腺癌的發病機制以及開發新的治療策略具有重要意義。該研究不僅揭示了ERα在分子水平上的復雜調控機制，還為未來的藥物研發提供了新的靶點和理論基礎。
圖1 內源性ERα障礙的序列-結構-功能關系本研究聚焦于雌激素受體α（ERα），特別是其N端轉錄激活域（NTD）的Ser118磷酸化對ERα活性的影響。研究發現，Ser118的磷酸化通過破壞芳香族氨基酸簇之間的疏水相互作用，引發ERα-NTD的構象變化，進而影響ERα介導的轉錄活性。這一發現不僅闡明了磷酸化在轉錄因子功能中的調控作用，還為開發針對ERα-NTD的直接靶向治療提供了可能。
乳腺癌是全球女性癌癥相關死亡的首要原因，其中大多數為雌激素受體陽性（ER+）。Ser118的磷酸化使ER能夠在無配體的情況下被激活，這一過程在乳腺癌的治療抵抗中起著關鍵作用。盡管CDK7抑制劑在臨床試驗中顯示出潛力，但磷酸化驅動激活的機制尚不清楚。本研究旨在揭示Ser118磷酸化如何通過影響ERα-NTD的構象來調節ERα的活性。
研究人員采用了多種生物物理技術，包括尺寸排阻色譜-小角X射線散射（SEC-SAXS）和核磁共振（NMR）光譜學，來表征ERα-NTD的生物物理特性。通過這些技術，研究人員能夠精確測量ERα-NTD的尺寸參數，并分析其結構無序性。此外，研究人員還利用了paramagnetic relaxation enhancement (PRE) 測量來研究氨基酸簇之間的相互作用，并通過體外蛋白磷酸化實驗來研究Ser118磷酸化對ERα-NTD構象的影響。
氨基酸簇的殘基結構
通過SEC-SAXS和NMR分析，研究人員發現ERα-NTD具有特定的生物物理特性，包括兩個具有限制性主鏈流動性的區域（簇I和簇II），這些區域對應于殘基結構，解釋了SEC-SAXS數據中觀察到的緊湊構象。
疏水芳香簇
通過PRE測量發現，簇I和簇II之間的相互作用表明殘基結構起源于芳香氨基酸簇之間的特定疏水相互作用，這些相互作用橋接了這些富含芳香族的區域。
pSer118驅動簇分離
研究發現，pSer118通過增加簇I和簇II之間的分離來觸發ERα-NTD的構象變化，同時保持局部簇的完整性。這一發現表明，磷酸化通過增加簇分離來促進ERα-NTD的擴張。
疏水破壞簇相互作用
疏水破壞作為主要機制，包括非離子洗滌劑DDM的使用、Ser118附近的丙氨酸替代以及簇I中的丙氨酸突變，實驗表明疏水相互作用的破壞是結構變化的主要驅動力。
疏水恢復ER功能
研究人員比較了磷酸化缺陷（S118A）和磷酸模擬（S118D）突變，發現S118D表現出比S118A更強的轉錄活性。此外，S118A/F120A和S118A/L121A雙突變恢復了S118A受損的轉錄功能，表明疏水相互作用的破壞可以模擬磷酸化效應，恢復功能缺陷。
疏水突變調節輔因子相互作用和細胞生長
pSer118和F120A顯著減少了ERα-NTD與TIF2-QRD的相互作用。在TFF1啟動子上，S118A增強了TIF2的募集，而S118D和疏水突變逆轉了這一效應，同時保持了與WT類似的啟動子結合。這些結果表明，ERα-NTD的疏水簇調節輔因子相互作用和轉錄活性。
細胞生長的表型恢復
最后，研究人員進一步探討了F120A和L121A突變對MCF7細胞生長和集落形成的影響。S118A未能促進生長，而S118D的生長促進能力與WT ER相當或更高。F120A或L121A與S118A的組合恢復了與WT和S118D相當的生長促進能力。此外，Y52A/Y54A和Y60A/F62A突變也恢復了S118A受損的細胞生長和集落形成，支持了疏水破壞效應在兩個簇中的作用。
圖2 ER-NTD中的疏水性聚集
研究結論與討論
本研究揭示了Ser118磷酸化如何通過影響ERα-NTD的疏水簇來調節其構象和功能。這一發現不僅擴展了我們對磷酸化在轉錄因子功能中作用的理解，還為開發針對ERα-NTD的直接靶向治療提供了新的策略。研究結果強調了疏水相互作用在磷酸化誘導的ERα-NTD變化中的主要作用，并為未來的藥物研發提供了新的靶點。通過破壞疏水相互作用，可以模擬磷酸化效應，恢復因磷酸化缺陷導致的功能障礙，這為乳腺癌的治療提供了新的思路和方法。
“就像機器需要特定的控制來運作一樣，像雌激素受體這樣的蛋白質控制著細胞的生長和行為，”凱斯綜合癌癥中心成員、醫學院營養學副教授Sichun Yang說?！拔覀冊诖萍に厥荏w中發現了以前未知的‘分子開關’，這些開關雖然靈活，但卻以驚人的精度協同工作，協調細胞過程。改變蛋白質的一部分可以引發連鎖反應，影響乳腺癌細胞的生長?！?/div>圖1 內源性ERα障礙的序列-結構-功能關系
圖2 ER-NTD中的疏水性聚集
雖然可能需要更多的研究來利用他們的發現來開發新的治療方法，但這一發現為科學家提供了遠遠超出乳腺癌的新工具和想法，因為類似的蛋白質區域涉及許多其他疾病。
“不是簡單地關閉雌激素受體，”Sichun Yang說，“未來的藥物可能會針對這些新發現的開關而設計，為控制蛋白質的工作方式提供新的方法?！?/div>
研究小組使用來自阿貢國家實驗室先進光子源和國家同步加速器光源II的小角度x射線散射和核磁共振波譜工具對蛋白質開關進行了非常詳細的研究。這項合作包括來自亞利桑那州立大學和俄亥俄州立大學的研究人員。美國國立衛生研究院（National Institutes of Health）、美國癌癥協會（American Cancer Society）和玫琳凱愛施基金會（Mary Kay Ash Foundation）也提供了額外的支持。
“Yang的工作強調了利用尖端技術和團隊合作來回答重大科學問題的重要性，”醫學院蛋白質組學和生物信息學中心主任Mark Chance說?！斑@些國家設施使我們能夠取得突破，推動新的癌癥治療方法。”
參考資料
[1] The sequence–structure–function relationship of intrinsic ERα disorder
摘要：凱斯西儲大學醫學院的研究人員發現了特定的蛋白質區域如何導致乳腺癌。
來自美國凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）的研究人員在國際頂級學術期刊《Nature》上發表了一篇題為《The sequence–structure–function relationship of intrinsic ERα disorder》的研究論文。該研究深入探討了雌激素受體α（ERα）的內在無序性與其功能之間的關系，這對于理解乳腺癌的發病機制以及開發新的治療策略具有重要意義。該研究不僅揭示了ERα在分子水平上的復雜調控機制，還為未來的藥物研發提供了新的靶點和理論基礎。
圖1 內源性ERα障礙的序列-結構-功能關系本研究聚焦于雌激素受體α（ERα），特別是其N端轉錄激活域（NTD）的Ser118磷酸化對ERα活性的影響。研究發現，Ser118的磷酸化通過破壞芳香族氨基酸簇之間的疏水相互作用，引發ERα-NTD的構象變化，進而影響ERα介導的轉錄活性。這一發現不僅闡明了磷酸化在轉錄因子功能中的調控作用，還為開發針對ERα-NTD的直接靶向治療提供了可能。
乳腺癌是全球女性癌癥相關死亡的首要原因，其中大多數為雌激素受體陽性（ER+）。Ser118的磷酸化使ER能夠在無配體的情況下被激活，這一過程在乳腺癌的治療抵抗中起著關鍵作用。盡管CDK7抑制劑在臨床試驗中顯示出潛力，但磷酸化驅動激活的機制尚不清楚。本研究旨在揭示Ser118磷酸化如何通過影響ERα-NTD的構象來調節ERα的活性。
研究人員采用了多種生物物理技術，包括尺寸排阻色譜-小角X射線散射（SEC-SAXS）和核磁共振（NMR）光譜學，來表征ERα-NTD的生物物理特性。通過這些技術，研究人員能夠精確測量ERα-NTD的尺寸參數，并分析其結構無序性。此外，研究人員還利用了paramagnetic relaxation enhancement (PRE) 測量來研究氨基酸簇之間的相互作用，并通過體外蛋白磷酸化實驗來研究Ser118磷酸化對ERα-NTD構象的影響。
氨基酸簇的殘基結構
通過SEC-SAXS和NMR分析，研究人員發現ERα-NTD具有特定的生物物理特性，包括兩個具有限制性主鏈流動性的區域（簇I和簇II），這些區域對應于殘基結構，解釋了SEC-SAXS數據中觀察到的緊湊構象。
疏水芳香簇
通過PRE測量發現，簇I和簇II之間的相互作用表明殘基結構起源于芳香氨基酸簇之間的特定疏水相互作用，這些相互作用橋接了這些富含芳香族的區域。
pSer118驅動簇分離
研究發現，pSer118通過增加簇I和簇II之間的分離來觸發ERα-NTD的構象變化，同時保持局部簇的完整性。這一發現表明，磷酸化通過增加簇分離來促進ERα-NTD的擴張。
疏水破壞簇相互作用
疏水破壞作為主要機制，包括非離子洗滌劑DDM的使用、Ser118附近的丙氨酸替代以及簇I中的丙氨酸突變，實驗表明疏水相互作用的破壞是結構變化的主要驅動力。
疏水恢復ER功能
研究人員比較了磷酸化缺陷（S118A）和磷酸模擬（S118D）突變，發現S118D表現出比S118A更強的轉錄活性。此外，S118A/F120A和S118A/L121A雙突變恢復了S118A受損的轉錄功能，表明疏水相互作用的破壞可以模擬磷酸化效應，恢復功能缺陷。
疏水突變調節輔因子相互作用和細胞生長
pSer118和F120A顯著減少了ERα-NTD與TIF2-QRD的相互作用。在TFF1啟動子上，S118A增強了TIF2的募集，而S118D和疏水突變逆轉了這一效應，同時保持了與WT類似的啟動子結合。這些結果表明，ERα-NTD的疏水簇調節輔因子相互作用和轉錄活性。
細胞生長的表型恢復
最后，研究人員進一步探討了F120A和L121A突變對MCF7細胞生長和集落形成的影響。S118A未能促進生長，而S118D的生長促進能力與WT ER相當或更高。F120A或L121A與S118A的組合恢復了與WT和S118D相當的生長促進能力。此外，Y52A/Y54A和Y60A/F62A突變也恢復了S118A受損的細胞生長和集落形成，支持了疏水破壞效應在兩個簇中的作用。
圖2 ER-NTD中的疏水性聚集
研究結論與討論
本研究揭示了Ser118磷酸化如何通過影響ERα-NTD的疏水簇來調節其構象和功能。這一發現不僅擴展了我們對磷酸化在轉錄因子功能中作用的理解，還為開發針對ERα-NTD的直接靶向治療提供了新的策略。研究結果強調了疏水相互作用在磷酸化誘導的ERα-NTD變化中的主要作用，并為未來的藥物研發提供了新的靶點。通過破壞疏水相互作用，可以模擬磷酸化效應，恢復因磷酸化缺陷導致的功能障礙，這為乳腺癌的治療提供了新的思路和方法。
“就像機器需要特定的控制來運作一樣，像雌激素受體這樣的蛋白質控制著細胞的生長和行為，”凱斯綜合癌癥中心成員、醫學院營養學副教授Sichun Yang說?！拔覀冊诖萍に厥荏w中發現了以前未知的‘分子開關’，這些開關雖然靈活，但卻以驚人的精度協同工作，協調細胞過程。改變蛋白質的一部分可以引發連鎖反應，影響乳腺癌細胞的生長?！?/div>
雖然可能需要更多的研究來利用他們的發現來開發新的治療方法，但這一發現為科學家提供了遠遠超出乳腺癌的新工具和想法，因為類似的蛋白質區域涉及許多其他疾病。
“不是簡單地關閉雌激素受體，”Sichun Yang說，“未來的藥物可能會針對這些新發現的開關而設計，為控制蛋白質的工作方式提供新的方法?！?/div>
研究小組使用來自阿貢國家實驗室先進光子源和國家同步加速器光源II的小角度x射線散射和核磁共振波譜工具對蛋白質開關進行了非常詳細的研究。這項合作包括來自亞利桑那州立大學和俄亥俄州立大學的研究人員。美國國立衛生研究院（National Institutes of Health）、美國癌癥協會（American Cancer Society）和玫琳凱愛施基金會（Mary Kay Ash Foundation）也提供了額外的支持。
“Yang的工作強調了利用尖端技術和團隊合作來回答重大科學問題的重要性，”醫學院蛋白質組學和生物信息學中心主任Mark Chance說。“這些國家設施使我們能夠取得突破，推動新的癌癥治療方法?！?/div>
參考資料
[1] The sequence–structure–function relationship of intrinsic ERα disorder
