The Innovation | 囚徒的手铐：DCLK1激酶活性调节与肿瘤
导
读
癌症是困扰医学界的一大难题。自20多年前，DCLK1（Doublecortin-like kinase 1）作为一种假定的激酶被首次报道，后续研究证明抑制其活性便可抑制肿瘤细胞生长。因此，DCLK1已成为重要的肿瘤治疗药物靶点。但其相关底物和调控蛋白一直没有明确。近日，四川大学华西医院陈强团队完成了对人类DCLK1激酶活性调控机制的研究，最新结果以Report形式在The Innovation期刊发表。
图1 图文摘要
DCLK1是一种重要的激酶，与多种肿瘤的发生发展密切相关。本研究首次解析了DCLK1自抑制状态下的晶体结构，并从结构层面阐明了其自抑制的调控机制。处于自抑制状态的DCLK1活性很低，自抑制片段就像囚徒的手铐，限制了其激酶活性。正常生理状态下，DCLK1的激活由其激活蛋白（如本文发现的HPCAL1）完成，这是“合法”的激活途径。自抑制片段上的突变相当于手铐断裂，而DCLK1表达上调相当于囚徒人数暴增，均会使其激酶活性异常升高。这些“非法”的激活途径，均可能促进肿瘤的发生发展（图1）。
DCLK1会把自己“锁”起来
DCLK1的羧基端包含一个“自抑制片段”，学界普遍认为这个片段以“底物类似物”的身份来抑制其自身激酶活性。三维结构显示：自抑制片段通过疏水和亲水相互作用与其催化中心广泛接触，占据了ATP结合位点和底物结合位点，就像一条将催化中心牢牢锁住的“手铐”（图2）。
图2 自抑制状态的DCLK1晶体结构
寻找打开“手铐”的钥匙
在正常生理状态下，DCLK1的“手铐”需要一把“钥匙”来打开。那么是哪个蛋白充当了“钥匙”的角色呢？
首先，本研究对DCLK1蛋白质序列进行比对，发现其与钙依赖激酶（CaMK）高度同源，而CaMK可被钙调蛋白激活。于是，本研究检测了钙调蛋白是否可以激活DCLK1。然而，实验结果显示，钙调蛋白既无法激活DCLK1，也不和DCLK1相互作用。
第二步，本研究通过三维结构的比较发现，肌肉颤搐蛋白（twitchin）的自抑制状态与DCLK1非常类似，而twitchin可以被S100蛋白激活。因此，DCLK1 很有可能与twitchin有相似的激活机制。本研究对20种人类S100蛋白的测试结果显示，S100未能激活DCKL1的激酶活性。
虽然以上的尝试都失败了，但是钙调蛋白和S100二者都是钙结合蛋白，这提示我们，DCLK1的激活蛋白可能也是一种钙结合蛋白。那么，答案是否藏在其它钙结合蛋白之中？
考虑到DCLK1在大脑中高度表达的特性，本研究将目光转移到神经元钙传感器（NCS）家族蛋白上。果然，在研究测试的蛋白中，HPCAL1会以一种Ca2+依赖的方式结合DCLK1的自抑制片段，解除其自抑制状态并使其发挥激酶活性（图3）。这也是关于DCLK1调控蛋白的首次报道。
图3 HPCAL1与DCKL1的自抑制片段结合，解除其自抑制状态
癌症相关突变破坏“手铐”，激活DCLK1
COSMIC数据库中汇总了来源于癌症病人的基因突变信息。本研究搜集并分析了COSMIC数据库中DCLK1自抑制片段相关突变信息。体外实验表明，这些突变可显著增强DCLK1激酶活性。并且这些突变有一个共同特点：都是由侧链较短的氨基酸残基突变为侧链较长的氨基酸残基。从蛋白结构的角度出发，这样的变化会降低自抑制片段与催化中心结合的稳定性，从而降低自抑制片段对激酶结构域的抑制活性，而结构与功能实验也很好地佐证了这一猜想（图4）。
图4 癌症相关突变显著激活了DCLK1
体外激酶活性测定显示，与完全丧失激酶活性的突变体相比，野生型DCLK1虽活性很低，但依然具有一定的本底活性。在许多类型的癌症中，都观察到DCLK1的表达发生了显著上调，而表达量的上升也会导致细胞内DCLK1整体活性升高。
总结与展望
本文首次解析了人DCLK1在自抑制状态下的晶体结构，阐明了其自抑制的分子机制，证明了来源于癌症病人的DCLK1自抑制片段相关突变会使其活性上调，并首次发现了DCLK1的激活蛋白。这些研究为深入理解DCLK1的生理功能以及其与肿瘤发生发展的关系铺开了新的道路。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00116-8
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第一期以Report发表的“DCLK1 autoinhibition and activation in tumorigensis” (投稿: 2021-05-18；接收: 2021-11-23；在线刊出: 2021-11-26)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100191
引用格式：Cheng L., Yang Z., Guo W., et al. (2021). DCLK1 autoinhibition and activation in tumorigensis. The Innovation. 3(1),100191.
作者简介
陈 强，四川大学华西医院，生物治疗国家重点实验室研究员，博士生导师。运用生物化学与结构生物学手段，研究生物大分子的结构与功能之间的关系，研究方向主要涉及生物信号转导机制、微生物免疫系统的分子机制等，已在Nature，Science Advances，Nature Communications，Nucleic Acids Research等期刊发表论文40余篇。
余雅梅，四川大学华西医院，生物治疗国家重点实验室副研究员，博士生导师。课题组主要研究细菌免疫系统的工作机理，在Science Advances, Nature Communications，Nucleic Acids Research等期刊发表论文20余篇。
程琳娜，在四川大学获得博士学位，现任河南省人民医院助理研究员，主要从事生物大分子的结构与功能研究，在Science Advances，Current Medicinal Chemistry，Drug Design Development and Therapy等期刊发表论文10余篇。
郭文浩，四川大学华西医院肿瘤中心副主任医师。主要致力于良恶性肿瘤的微创介入治疗和肿瘤的生物学研究。在Cell Death and Disease, Cell Cycle, Exp Cell Res, J Biol Chem等期刊发表论文7篇。获国家发明专利1项。
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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者们来自全球29个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外；已被78个国家作者引用。目前有189位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，30位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed等数据库收录。
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