BAK x Bcl-2 x Bcl-2 family

线粒体凋亡途径的调控是肿瘤发生与治疗的核心机制之一。抗凋亡与促凋亡BCL-2家族蛋白间的精密互作与动态平衡调控着线粒体外膜通透性（MOMP），并最终决定细胞命运。 其中，抗凋亡蛋白MCL-1通过结合并抑制促凋亡蛋白BAK的寡聚化，成为肿瘤细胞逃逸凋亡的关键分子。然而，MCL-1与BAK相互作用的分子细节尚不完全明确，限制了靶向该通路的高效抗癌药物开发。 中南大学湘雅医院肿瘤科及暨南大学的研究人员在《Acta Neuropathologica Communications》中发表文章，利用Biacore技术，系统解析了MCL-1与BAK结合的分子特异性，揭示了p5疏水亚口袋在相互作用中的核心作用，为设计新型MCL-1抑制剂提供了关键理论依据。 图1：文章截图 为了揭开MCL-1/BAK相互作用的神秘面纱，研究团队整合了表面等离子共振（SPR）、荧光偏振（FP）、X射线晶体学及细胞实验技术，构建了从分子识别到功能验证的完整研究链条。 通过X射线晶体学解析复合物结构（分辨率1.98 Å），发现BAK多肽呈现α螺旋构象，其疏水残基Val74、Leu78、Ile81和Ile85精准嵌入MCL-1的BH3结合沟槽（图2A、B），带电荷残基Asp83 BAK与Arg263 MCL-1之间形成了保守的盐桥相互作用（图2C）。与BAK-BH3short多肽相比，BAK-BH3long多肽的延伸残基额外形成一个α螺旋转角（α-helical turn），且h4残基（Ile85）位置发生微小位移（图2A）。 在延伸的五个残基中，Arg88 BAK、Asp90 BAK、Ser91BAK和Glu92 BAK与MCL-1之间基本不存在范德华相互作用（图2D）。然而，Tyr89 BAK与MCL-1的疏水平面区域（由Val216、Phe318和Phe319等疏水残基构成）形成显著的疏水相互作用（图2D）。 综上，MCL-1通过p5亚口袋特异性识别BAK C端延伸序列（尤其Tyr89），相比之下，BCL-XL则依赖经典BH3沟槽结合，对C端序列无偏好，这也为设计靶向MCL-1/BAK的高选择性抑制剂提供理论依据。 图2：MCL-1与BAK-BH3short和BAK-BH3long多肽的复合物晶体结构 为探究MCL-1的p5疏水亚口袋功能，研究人员构建了MCL-1 F319 A突变体，利用SPR技术实时监测两者结合的动力学过程。结果显示，BAK-BH3长肽与MCL-1野生型以及MCL-1突变型的结合亲和力比短肽高约10倍（KD=33.4 nM vs.277 nM），而BAK Tyr89突变型与MCL-1野生型的亲和力为537 nM，说明MCL-1 Phe319或BAK Tyr89的突变会显著破坏二者相互作用，从而抑制凋亡进程。 图3：MCL-1 野生型、MCL-1突变型与BAK-BH3long的动力学检测 科学发现最终需回归细胞验证 研究团队在HEK-293 T细胞中过表达MCL-1野生型或F319 A突变体（破坏p5亚口袋），通过免疫共沉淀实验发现，突变体与BAK的结合能力下降。进一步在肝癌细胞Hep3 B中过表达BAK野生型或Y89A突变体，发现后者诱导凋亡的能力下降，证实p5亚口袋对BAK功能的重要性。 这一发现颠覆了传统认知——MCL-1不仅依赖保守的p2-p4亚口袋，还通过独特的p5亚口袋实现BAK特异性识别。基于这一发现，研究人员测试了p5亚口袋对A-1210477及其先导化合物28的潜在作用（A-1210477是首个具有高亲和力和选择性的MCL-1选择性BH3模拟物）。 结果发现，A-1210477对MCL-1的亲和力约为其先导化合物28的5倍，而MCL-1突变体F319 A对A-1210477的亲和力降低约一个数量级，而其对短链先导化合物28的结合几乎未受影响。结合竞争荧光偏振（FP）实验和共晶实验结果，研究人员得出了这个结论：A-1210477的延伸磺酰胺基团与MCL-1 p5亚口袋的紧密结合可显著提升抑制剂活性。这一发现为设计靶向p5亚口袋的高效MCL-1抑制剂提供了新策略。 图4：A-1210477及其先导化合物28 与MCL-1野生型及突变型的结合动力学 从分子层面的结构解析到细胞层面的功能验证，本研究首次揭示了MCL-1/BAK相互作用的分子密码，阐明了p5疏水亚口袋在结合中的核心作用。这一发现不仅让我们深化了对线粒体凋亡调控机制的理解，更为开发下一代MCL-1靶向抗癌药物奠定了坚实基础。 目前，癌症治疗已进入“精准时代”，而靶向MCL-1/BAK相互作用正是这一时代的典型代表之一。随着结构生物学与药物设计的不断进步，我们有理由相信，针对这一“生死开关”的精准治疗将早日造福患者，为癌症治疗带来新突破。 Biacore，for a better life Biacore作为被中美日等多国药典收录的分子互作检测“金标准”，已广泛应用到基础科研与药物开发的多个领域。截至目前，借助Biacore累计发表的文章已突破68000篇，超过100种的已上市药物的研发、申报、生产过程中也均有Biacore的身影。 期待这一突破性发现能够推动肿瘤等重大疾病的精准治疗发展，通过持续深化对凋亡通路的理解，加速靶向药物的临床转化，最终为患者带来更安全有效的治疗选择。 扫描下方二维码进入Biacore微站 获取更多SOP文件 参考文献： Wei H, Wang H, Xiang S, Wang J, Qu L, Chen X, Guo M, Lu X, Chen Y. Deciphering molecular specificity in MCL-1/BAK interaction and its implications for designing potent MCL-1 inhibitors. Cell Death Differ. 2025 Jun;32(6):991-999. doi: 10.1038/s41418-025-01454-2. Epub 2025 Feb 3. PMID: 39901037; PMCID: PMC12162865. 本期关键词： #Biacore #肿瘤

撰文｜雪月程序性细胞死亡（apoptotic cell death）对形态发生和组织稳态至关重要。凋亡过程的缺陷会促进癌症、自身免疫性疾病和退行性疾病的发生。凋亡由BCL-2家族中的三类蛋白调控。抗凋亡蛋白（如BCL-2、BCL-XL、MCL-1、A1、BCL-W）通过中和BH3-only蛋白（例如tBID、BIM、PUMA、NOXA）以及效应蛋白BAX和BAK来抑制细胞凋亡。被激活的BAX和BAK会导致线粒体外膜通透性增强（MOMP），从而启动拆解细胞的caspase级联反应。MCL-1对于细胞存活至关重要。其缺失或被抑制会导致许多细胞类型死亡，而这些细胞类型在缺失或抑制其他抗凋亡BCL-2蛋白时不会死亡。MCL-1缺失的小鼠胚胎会在胚胎发育第3.5天左右死亡（E3.5）。BCL-XL缺失的小鼠胚胎会在E13.5左右因红细胞和神经元死亡而死亡。BCL-2缺失的小鼠则通常在出生后约4周因多囊肾病而死亡。A1或BCL-W的缺失则仅表现出轻微的缺陷。抗凋亡BCL-2蛋白在其与促凋亡亲缘蛋白的结合能力、蛋白稳定性和定位等方面存在差异。有研究报道，某些抗凋亡BCL-2蛋白还具有与凋亡无关的功能。MCL-1和BCL-XL在被蛋白酶加工后可定位于线粒体膜间空间，调节线粒体动力学及通过氧化磷酸化（OXPHOS）进行的ATP产生，而BCL-2则无此功能。此外，MCL-1还通过与线粒体外膜上的ACSL1（一种长链酰基辅酶A合成酶）相互作用来调控线粒体脂肪酸氧化（FAO）。然而，MCL-1（及其他BCL-2蛋白）这些与凋亡无关的功能在生理学中的重要性仍不清楚。来自澳大利亚墨尔本沃尔特和伊丽莎霍尔医学研究所的Andreas Strasser 团队在Science上发表题为Relative importance of the anti-apoptotic versus apoptosis-unrelated functions of MCL-1 in vivo的文章。本研究通过基因替换小鼠模型揭示，MCL-1不仅在胚胎发育初期依赖其抗凋亡功能，更在后期和出生后依赖其不可替代的代谢调控功能，尤其是脂肪酸氧化调节。作者首先将小鼠Mcl-1编码区替换为hMCL-1、FLAG-tagged BCL-XL、BCL-2或A1的cDNA序列，维持5′与3′非编码区不变。通过Western blot、流式检测及BH3 mimetic药物敏感性检测，验证蛋白表达与功能。检测发现替代蛋白（hMCL-1、BCL-XL、BCL-2）在体内表达并具有抗凋亡功能。Mcl-1基因缺失造成的早期胚胎致死（E3.5前）可被BCL-2或BCL-XL替代所挽救，说明MCL-1的非凋亡功能对早期胚胎发育并非必需。作者接下来对胚胎发育阶段进行比较。作者对Mcl-1Bcl-xL/+和Mcl-1Bcl-2/+异型合子追踪不同时间点胚胎（E10.5–E15.5）发育情况并分析形态学。对比发现虽然BCL-XL和BCL-2都能支持胚胎发育至E10.5，但Mcl-1Bcl-2/Bcl-2胚胎从E12.5就显著减少，而Mcl-1Bcl-xL/Bcl-xL则可活至E14.5甚至更晚，说明BCL-XL比BCL-2更能代偿MCL-1功能。利用TUNEL标记、神经组织染色、组织学分析（E9.5–E12.5）观察凋亡细胞比例与大脑发育结构。实验发现Mcl-1Bcl-2/Bcl-2胚胎中凋亡细胞数量增加、神经发育异常，如脑室塌陷和折叠神经上皮，说明非凋亡相关功能缺失造成发育缺陷。作者接下来构建诱导型MEF模型进行验证。在Mcl-1flox背景下构建Mcl-1Bcl-xL/del和Mcl-1Bcl-2/del MEF细胞，诱导Mcl-1缺失，检测增殖能力与细胞周期。作者发现BCL-XL较BCL-2更能补偿MCL-1缺失后对细胞增殖的影响。BCL-2本身略抑制增殖，但其非凋亡功能无法替代MCL-1。作者又将Mcl-1Bcl-xL和Mcl-1Bcl-2小鼠引入混合背景（FVBxBALB/c），分析E18.5至出生后的成活情况。仅Mcl-1Bcl-xL/Bcl-xL在混合背景下可存活至出生且少数存活至断奶，而Mcl-1Bcl-2/Bcl-2全部死亡，强调BCL-XL可部分补偿MCL-1非凋亡功能。组织学分析新生Mcl-1Bcl-xL/Bcl-xL小鼠肝脏、肾脏、小肠和心脏，评估细胞凋亡、酶释放（AST、CK）及代谢。肝脏脂肪变、肾损伤、小肠低细胞数但无凋亡标记阳性，提示是由于代谢紊乱而非细胞凋亡。进一步支持MCL-1的非凋亡代谢功能必不可少。RNA-seq分析肝脏组织代谢基因表达，代谢组学检测TCA循环、脂肪酸氧化、酮体生成等相关物质。Mcl-1Bcl-xL/Bcl-xL肝脏表现为脂肪酸氧化（FAO）障碍、糖酵解上调，代谢重编程。提示MCL-1调控FAO的功能不能被BCL-XL替代。作者最后分析了线粒体功能与形态。作者利用Seahorse分析MEF的呼吸能力；电子显微镜观察线粒体结构；测定OXPHOS复合物活性。BCL-XL可部分替代MCL-1维持线粒体形态和电子传递链结构，但无法恢复FAO相关功能。这一功能差异是MCL-1特有的非凋亡作用。本研究揭示MCL-1在体内具有阶段特异的功能，其抗凋亡作用对早期胚胎存活至关重要，而其调控线粒体代谢的非凋亡功能则对后期发育和出生后生存必不可少。原文链接：http://doi.org/10.1126/science.adw1836制版人： 十一学术合作组织（*排名不分先后）战略合作伙伴（*排名不分先后）·转载须知【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。BioArtMedPlants人才招聘近期直播推荐

STAT（Signal Transducer and Activator of Transcription）蛋白家族作为细胞内关键信号转导枢纽，包含STAT1-4、STAT5a、STAT5b及STAT6七个成员，在恶性肿瘤的发生发展中发挥着复杂的调控作用。近年来研究证实，STAT蛋白通过整合细胞外信号与基因转录调控，在肿瘤增殖、代谢重编程及免疫逃逸等关键生物学过程中形成精密调控网络。本文系统阐述STAT蛋白在肿瘤微环境中的多维度作用机制，并探讨其临床转化潜力。一、STAT信号通路的肿瘤调控双面性（一）促肿瘤生物学特征1. 细胞周期调控异常STAT蛋白通过直接结合靶基因启动子区域，调控细胞周期关键调控因子的表达。STAT3/STAT5可特异性激活Cyclin D1、c-Myc等G1/S期转换相关基因，促进细胞周期素依赖性激酶（CDK）的活性。研究表明，STAT3的持续性激活可解除视网膜母细胞瘤蛋白（Rb）对E2F转录因子的抑制，加速细胞周期进程。同时，STAT5通过上调CDK4/6表达，协同增强CDK-Rb-E2F信号轴的促增殖效应。2. 凋亡抵抗机制STAT介导的抗凋亡效应涉及线粒体和死亡受体双重调控途径。STAT3/STAT5可转录激活Bcl-2家族抗凋亡成员（Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1），同时抑制Bax、Bak等促凋亡蛋白表达。在死亡受体通路中，STAT3通过抑制Fas配体表达，降低caspase-8激活效率。STAT5还能通过非转录依赖方式与Bcl-xL直接相互作用，增强其线粒体膜稳定作用。3. 肿瘤干细胞特性维持STAT信号通过调控核心干性转录因子网络（Oct4/Sox2/Nanog）维持肿瘤干细胞特性。STAT3与Wnt/β-catenin通路形成正反馈环路，促进Lgr5等干细胞标志物表达。实验证实，STAT5磷酸化可诱导Notch信号通路配体Jagged1表达，增强肿瘤细胞自我更新能力。此外，STAT3通过表观遗传调控机制维持DNA低甲基化状态，促进干细胞相关基因的持续激活。4. 免疫抑制微环境塑造STAT3/STAT5在肿瘤免疫编辑过程中发挥核心调控作用。其通过诱导PD-L1、IDO1等免疫检查点分子表达，促进调节性T细胞（Treg）扩增，并抑制细胞毒性T淋巴细胞（CTL）功能。在髓系细胞中，STAT3激活驱动M2型巨噬细胞极化及MDSCs募集，通过精氨酸酶-1（ARG1）和一氧化氮合酶（iNOS）介导的代谢抑制机制，建立免疫豁免微环境。（二）肿瘤抑制性功能特征STAT1作为干扰素信号的核心效应分子，通过激活IRF1、CXCL10等基因诱导抗肿瘤免疫应答。STAT1介导的MHC I类分子表达上调可增强肿瘤抗原呈递效率，同时通过激活颗粒酶B通路促进CTL杀伤功能。STAT1与STAT3在肿瘤微环境中存在动态平衡，其磷酸化水平比值（p-STAT1/p-STAT3）可作为预后评估的重要生物标志物。二、STAT介导的肿瘤代谢重编程网络（一）葡萄糖代谢调控STAT蛋白通过多重机制驱动Warburg效应：①转录上调GLUT1/3增强葡萄糖摄取；②磷酸化激活HK2维持己糖激酶活性；③调控PKM2亚型转换影响丙酮酸代谢流向。研究显示，STAT3与HIF-1α协同诱导LDHA表达，促进乳酸生成及微环境酸化。PKM2可作为STAT3的酪氨酸磷酸化激酶，形成代谢-信号转导正反馈环路。（二）脂质代谢重构STAT信号通过以下途径调控脂质稳态：①转录激活SREBP1c促进FASN、ACC等脂质合成酶表达；②上调CD36介导外源性脂质摄取；③激活CPT1A增强脂肪酸β-氧化。在转移微环境中，STAT3通过诱导FABP4表达促进脂滴形成，为肿瘤细胞提供迁移所需能量。最新研究揭示，STAT5可通过mTORC1-S6K通路增强胆固醇生物合成，维持细胞膜流动性。（三）谷氨酰胺代谢调控STAT3通过以下机制驱动谷氨酰胺成瘾：①与c-Myc协同上调ASCT2（SLC1A5）表达；②激活谷氨酰胺酶（GLS）促进谷氨酰胺分解；③调控谷胱甘肽合成维持氧化还原稳态。在营养匮乏条件下，STAT5通过激活ATIC基因促进嘌呤生物合成，支持肿瘤细胞快速增殖。STAT6被发现可通过调控谷氨酸脱氢酶（GLUD）活性影响α-KG生成，表观遗传修饰肿瘤代谢表型。三、STAT信号在肿瘤免疫代谢中的调控作用（一）免疫细胞代谢重编程STAT3通过以下途径重塑免疫代谢景观：①抑制CD8+T细胞糖酵解并增强FAO，促进耗竭表型形成；②诱导Treg细胞谷氨酰胺分解代谢，维持免疫抑制功能；③通过ARG1调控巨噬细胞尿素循环，促进M2极化。相反，STAT1激活可增强DC细胞OXPHOS代谢，促进抗原交叉呈递效率。最新研究发现，STAT5通过调控NAD+代谢影响MDSCs的免疫抑制活性，为联合治疗提供新靶点。（二）免疫检查点动态调控STAT3与PD-L1表达存在直接调控关系：①结合PD-L1启动子区-1586/-1578位点直接激活转录；②通过IL-6-JAK-STAT3轴间接诱导表达。STAT5被发现可调控TIM-3表达，其与LAG-3的共表达模式影响T细胞衰竭进程。STAT6通过调控CD276（B7-H3）表达参与免疫逃逸，提示不同STAT亚型具有独特的检查点调控特征。四、靶向STAT通路的精准治疗策略（一）小分子抑制剂开发1. 酪氨酸磷酸化抑制剂：WP1066、Stattic等化合物通过阻断SH2结构域二聚化抑制STAT活性2. DNA结合抑制剂：铂类衍生物可竞争性结合STAT3的DNA结合域3. 表观遗传调控剂：JAK/HDAC双抑制剂可协同抑制STAT信号传导（二）核酸靶向治疗1. 反义寡核苷酸：靶向STAT3 mRNA的ASON可特异性下调蛋白表达2. siRNA纳米递送系统：pH响应型纳米颗粒实现肿瘤部位特异性基因沉默3. CRISPR/Cas9基因编辑：构建STAT3/STAT5双敲除的CAR-T细胞增强抗肿瘤活性（三）联合治疗策略1. 免疫检查点阻断协同：STAT3抑制剂联合抗PD-1抗体可逆转T细胞耗竭2. 代谢干预协同：LDHA抑制剂与STAT5阻断剂联用可增强氧化应激3. 放射增敏策略：STAT3抑制通过下调Bcl-xL增强放疗敏感性五、小结尽管STAT靶向治疗取得显著进展，但仍面临诸多挑战：①组织特异性调控机制的解析不足；②STAT亚型功能异质性的深入探索；③微环境动态变化对治疗响应的影响。未来研究或需整合单细胞测序、空间代谢组学等前沿技术，绘制STAT信号网络的时空动态图谱，开发亚型选择性抑制剂及双重STAT/代谢靶向药物或将成为重要研究方向。药事纵横投稿须知：稿费已上调，欢迎投稿