Nat Biotechnol|DecryptE:剂量分辨表达蛋白组学揭示药物分子机制

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现有的蛋白质组学方法通常无法考虑药物的剂量,新方法的出现填补了这一空白。

5月7日,慕尼黑工业大学的 Bernhard Kuster 团队在 Nature Biotechnology(IF=46.9)发表了新的文章 Decrypting the molecular basis of cellular drug phenotypes by dose-resolved expression proteomics

图1 论文截图


文章介绍了一种名为DecryptE的新方法,利用蛋白质组学技术对多种药物的剂量依赖性蛋白质表达变化进行分析,揭示了药物的分子机制和细胞药效。

文章主要通过三个层面解读了药物对细胞的作用机制:药物与靶标的结合、通路的参与、细胞的重编程。研究结果如下:

 

结果1:
DecryptE方法用于剂量分辨蛋白质组学

研究采用Jurkat急性T细胞白血病细胞作为模型系统,对来自16个药物类别的144种药物进行了分析。使用了包括已批准(53种)和III期(15种)药物在内的多种临床和实验室化合物。

研究过程中,细胞在48孔板中培养,分别用5个不同浓度(1至10,000 nM)的药物和溶剂对照(二甲基亚砜,DMSO)处理18小时。并对所有药物在相同剂量范围内进行了代谢活性和细胞毒性以及细胞形态的测定。

通过质谱分析,研究人员成功鉴定并量化了8,892个蛋白质,并根据剂量-响应曲线确定了药物的作用效力和效应大小。通过ProteomicsDB和定制的Shiny应用程序,可视化并比较了剂量-响应曲线,方便进一步探索数据。

图2 DecryptE工作流程


结果2:
DecryptE数据的高级分析

研究人员对全局数据进行分析后发现:首先,大多数蛋白质的丰度在实验的时间范围内(18小时)没有对任何药物做出改变,但存在部分蛋白质的剂量依赖性上调和下调。

其次,144种药物对Jurkat细胞蛋白质组的重塑程度差异巨大,有些药物调节了超过1000种蛋白质的表达,而其他一些只影响了少数几种。

此外,研究人员还指出了一些药物引起了明显的蛋白质组变化,比如HDAC抑制剂和蛋白酶体抑制剂,而另一些药物引起的变化则较小。

最后,研究人员讨论了利用药物诱导的蛋白质表达变化来推断药物靶点的可能性,但指出这种方法并不总是可行,因为很多时候药物靶点并不明确。


结果3:
药物诱导细胞重塑的多组学分析

通过对同一细胞系和相同药物处理条件下进行剂量依赖的RNA测序实验,研究人员发现药物诱导的蛋白质表达变化既受转录程序的调节,也受到转录前、转录后和/或转录后修饰机制的影响。

研究发现,药物对于蛋白质和mRNA水平的影响可能存在一致或不一致的效应。例如,HDAC抑制剂vorinostat对HDAC1蛋白和mRNA水平没有影响,而CDK4/6抑制剂palbociclib则使细胞周期调控蛋白RRM2的蛋白和mRNA水平均等程度下降。

文章还讨论了一些药物导致的蛋白质和mRNA水平变化不一致的情况,其中包括DNA甲基转移酶DNMT1和双重特异性蛋白激酶CLK1–4的研究。这些研究揭示了药物调控的转录组和蛋白质组变化之间的差异,这些差异根源于不同的细胞机制。

图3 通过decryptE分析测量药物诱导的蛋白质表达变化的分子机制


结果4:
药物反应表型按功能对药物进行分组

尽管个别药物可能具有不同的靶标,但它们可能导致相似的细胞和分子药物表型。为了探索decryptE profiles是否可以以这种方式对药物进行分组,研究人员对144种药物进行了基因本体(GO)富集分析。

他们发现药物可以根据其诱导的蛋白质表达变化被分为不同的集群,如细胞周期停滞、蛋白质折叠反应等。这种药物聚类可以将药物按其作用机制进行归类,为了更好地理解药物的作用机制提供了新的途径。


结果5:
HDAC抑制剂影响T细胞活化

研究发现,HDAC抑制剂与T细胞增殖和活化之间存在强烈联系。实验结果表明,HDAC抑制剂通过降低T细胞受体(TCR)及其辅助受体等关键组分的表达,直接导致T细胞受体的减少。此外,HDAC抑制剂还减少了抗CD3和/或CD28抗体介导的T细胞活化。

进一步的实验表明,HDAC抑制剂在体外细胞系实验和人类原代 T 细胞中均显示出类似的效应,这对于HDAC抑制剂作为抗癌药物或用于研究T细胞生物学的工具具有重要的影响。


总 结

总的来说,该研究主要介绍了一种名为DecryptE的新型蛋白质组学方法,能够测量药物诱导的蛋白质表达变化的全剂量-响应特性,为大规模的蛋白质组学药物干预筛选提供了新途径,未来可以通过结合更快、更敏感的质谱仪器和数据非依赖性采集或稳定同位素多重标记等技术进一步完善。


文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41587-024-02218-y

 

相关研究

 

去年3月,Bernhard Kuster 教授团队在 Science 发文,通过剂量和时间分辨的蛋白质组学揭示了药物作用和蛋白质修饰。

文章介绍了一种名为 DecryptM 的蛋白质组学新技术,它可以测量数千种蛋白质的时间和剂量依赖性反应,并揭示对小分子或抗体药物的反应变化。研究人员在13个细胞系中对31种癌症药物进行DecryptM分析,证明了该方法的广泛适用性。

文章链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3925

 

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