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金沙国际美揭示脑癌细胞长寿关键秘密,端粒长

原标题:研究人员发现侵袭性胶质母细胞瘤永生机制的秘密

美国加州大学旧金山分校研究人员发现,GABP蛋白的一种特定成分GABP-β1L,是与端粒酶逆转录酶启动子突变相关的胶质母细胞瘤细胞不受控制地分裂、繁殖的关键。他们9月10日在《肿瘤细胞》杂志上发表论文称,新发现提供了一个很有前途的用药靶点,对未来胶质母细胞瘤及其他多种与TERT启动子突变相关癌症的治疗具有重要意义。

金沙国际,单位:天津医科大学肿瘤医院肺部肿瘤科,国家肿瘤临床医学研究中心,天津市肿瘤防治重点实验室,天津市恶性肿瘤临床医学研究中心

加州大学旧金山分校的研究人员发现,一种名为thert启动子的基因调控子中的突变,是所有人类癌症中第三常见的突变,也是致命脑癌胶质母细胞瘤中最常见的突变,是如何赋予肿瘤细胞“不朽”的,使其不受抑制的细胞分裂为其侵略性生长提供动力。

比健康细胞长寿,是肿瘤细胞的重要特征之一,它们的分裂次数不会像健康细胞一样受到严格限制,因此可以持续地分裂,不断扩散。科学家认为,肿瘤细胞的这种能力可能与TERT启动子突变有关。TERT启动子突变是所有人类癌症中最常见的三种突变之一,也是致命脑癌胶质母细胞瘤中最常见的突变。最近有研究称,超过50种癌症是由TERT启动子突变引起的。还有研究表明,这些突变会使GABP的转录因子与TERT启动子绑定并激活它,但是在健康细胞中,GABP和TERT通常彼此无关。

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这项发表于2018年9月10日的研究发现,具有TERT启动子突变的患者来源的胶质母细胞瘤细胞依靠一种叫做GABP的蛋白质的特定形式生存。GABP对大多数细胞的运作至关重要,但是研究人员发现,激活突变的TERT启动子的这种蛋白质的特定成分,一种叫做GABP

1L的亚单位,在正常细胞中似乎是可有可无的:使用基于CRISPR的基因编辑来消除这种亚单位会大大减缓人类癌细胞在实验室培养皿中以及当它们被移植到小鼠中时的生长,但是从健康细胞中去除GABP

  • 1L没有明显效果。

“这些发现表明1L亚单位是侵袭性胶质母细胞瘤和许多其他具有叔启动子突变的癌症的有希望的新药靶点,”研究资深作者约瑟夫·科斯特洛博士说,他是UCSF神经肿瘤学研究的领军人物。

永生是癌细胞的重要特征之一。与健康细胞相比,健康细胞分裂的次数受到严格限制,癌细胞可以永远分裂和增殖,在许多情况下,随着分裂的进行,会积累更多的致癌突变。

通常,细胞寿命是由一种叫做端粒的结构决定的,端粒是染色体末端的保护帽,就像鞋带末端的小球一样。每次细胞分裂时,端粒就会缩短,直到最后它们变得太短,无法再保护DNA,这是一个信号,表明细胞已经到了自然寿命的终点,应该像秃顶的汽车轮胎一样退休。

大多数癌症中的肿瘤细胞通过从长寿干细胞中窃取永生的秘密来绕过这一限制,长寿干细胞可以无限期分裂,这要归功于一种叫做端粒酶的端粒延伸酶,这项发现导致了UCSF的伊丽莎白·布莱克本博士获得诺贝尔奖。通常只有干细胞才被允许以这种方式欺骗死亡,但科学家估计,多达90 %的人类癌症激活了端粒酶,许多是通过编码端粒酶复合物的两种基因之一的突变inTERT激活的,这使得它们不受正常细胞限制地生长和扩散。

用阻断端粒酶的药物治疗癌症的努力已被证明对患者来说毒性太大,因为它们干扰干细胞中端粒的维持,例如维持健康血液所需的那些。

但最近的研究表明,50多种人类癌症可能不是由缺陷型vetert基因本身引起的,而是由TERT启动子的突变引起的,TERT启动子是DNA的一个区域,称为转录因子的蛋白质复合物可以影响TERT基因激活的时间和方式。其他研究发现,这些突变使得一种名为GABP的转录因子与TERT启动子结合并激活它,这很奇怪,因为在健康细胞中,GABP和TERT通常彼此无关。

科斯特洛说:「这对我们来说非常有趣。」“你不能创造一种药物来靶向启动子本身,但是如果我们能够确定GABP是如何与这些癌症中突变的启动子结合的,我们可能有一种非常强大的新药靶点。"

科斯特洛的研究小组由研究生安德鲁·曼奇尼和安娜·Xavier - Magalhaes率领,研究了人类胶质母细胞瘤细胞系和源自晚期胶质母细胞瘤患者的原发肿瘤细胞,并显示细胞突变在tert启动子中产生两个相邻的DNA序列,这为含有四个亚基的特定形式的GABP转录因子复合物提供了完美的着陆点,其中一个亚基是GABP

  • 1L。

研究人员显示,这种含GABP - 1L的GABP形式需要激活和驱动癌症生长,但对健康细胞来说似乎不是必需的。当研究人员使用多种技术,包括基于CRISPR的基因编辑,在实验室培养的胶质母细胞瘤细胞中消除GAPB1L亚单位时,细胞的生长显著减慢。研究人员随后将患者来源的胶质母细胞瘤细胞植入小鼠体内,结果显示,虽然未经编辑的细胞生长迅速,但对动物来说是致命的,而经编辑而缺乏GAPB1L的细胞生长缓慢,而且不那么致命。

科斯特洛说,下一步将是鉴定小分子药物,这些药物可能具有与目前实验中使用的基因编辑类似的效果,这项实验是与伊利诺斯州大学厄巴纳-香槟分校的Pablo Perez - Pinera博士和克里斯珀斯先驱、加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna博士以及旧金山格拉德斯通研究所合作进行的,格拉德斯通研究所也是加州大学旧金山分校的细胞和分子药理学副教授。

科斯特洛说:「理论上,我们现在所拥有的是一个治疗目标,它并不是特特本身,而是一个在正常细胞中并不重要的TERT开关的关键。」“现在我们必须设计一种治疗分子,它也能做同样的事情。"

总部位于旧金山的我在真理教的日子2一家名为Telo therametrics的公司,由科斯特洛和前研究生罗伯特·贝尔博士创建,他也是这项研究的合著者,目前正在与制药巨头葛兰素史克( GSK )合作进行小分子筛选,以找到这样一种分子。

科斯特洛说:「令人欣慰的是,葛兰素史克愿意将他们的大量资源投入这项早期发现。」“对我来说,这真的说明了这个目标对许多不同的人类癌症的承诺。"

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此次,加州大学旧金山分校研究人员发现,具有TERT启动子突变的胶质母细胞瘤患者,其体内肿瘤细胞要依赖GABP蛋白才能生存。这种蛋白对大多数细胞的运作都至关重要,但其中的一个特定成分——GABP-β1L,在正常细胞中似乎没有存在的必要。当研究人员通过CRISPR基因编辑技术等手段,从实验室培养的胶质母细胞瘤细胞中消除GABP-β1L时,肿瘤细胞的生长速度明显减慢。随后的小鼠实验显示,未经编辑的、源自人类患者的胶质母细胞瘤细胞在植入小鼠体内后生长迅速,会很快导致小鼠死亡;而经基因编辑后缺乏GABP-β1L的肿瘤细胞在小鼠体内则生长缓慢,其致死性也较低。

端粒是染色体的天然末端,保护染色体末端防止其被错误地识别为 DNA 损伤信号。由于染色体DNA 复制机器不能够完整地复制染色体末端的DNA,细胞分裂过程中,染色体末端的 DNA 逐渐减少。一种称为端粒酶的逆转录酶能够添加端粒序列到染色体的末端,弥补细胞分裂过程中染色体末端DNA 的丢失。在绝大多数正常组织中端粒酶活性缺失,因此整个生命周期中,体细胞的端粒长度是逐渐缩短的。但在大部分人类肿瘤中端粒酶被重新激活,肿瘤细胞具有稳定的端粒长度和永生化的特征。由于端粒长度与肿瘤发生具有重要的相关性,本文将对端粒长度在细胞癌变和预测肿瘤风险中的作用进行综述。

研究人员指出,GABP-β1L是一种有前途的新药靶点,对于治疗胶质母细胞瘤及其他多种与TERT启动子突变相关的癌症具有重要意义。他们将寻找与实验中使用的基因编辑技术具有相似效果的小分子药物,推动相关癌症的治疗。

1端粒和端粒酶

端粒是真核生物染色体末端一段特殊的结构, 在维持染色体的稳定性和完整性方面起重要的作用。端粒由端粒 DNA 及相关蛋白复合体组成。哺乳类生物的端粒DNA 由六聚体TTAGGG 核苷酸重复序列和富含G 的3’单链悬突构成,其中3'单链折回端粒双链区域内部,将自身链的一部分置换出来,并和互补链配对,形成紧凑的大T 环结构,而置换出来的那段序列则形成D 环,从而使整个端粒DNA 序列形成环状结构( D 环-T 环结构)。因而,端粒能够避免染色体末端的降解,避免染色体与染色体之间的末端融合,抑制染色体的末端重组。由于“末端复制问题”,DNA 聚合酶不能复制所有的DNA 到染色体的末端,细胞每一次分裂端粒重复序列都会缩短,在人类细胞中,每次缩短50—300 bp。当其缩短到一个临界长度,细胞出现生长阻滞,这一状态称为复制性衰老,细胞复制性衰老既是机体衰老的一种机制,也被认为是一种肿瘤抑制机制。

端粒酶能够克服细胞分裂过程中端粒的缩短, 端粒酶核心成分包括端粒酶逆转录酶催化亚基和端粒酶模板 RNA,它以自身的RNA 为模板催化合成端粒重复序列添加到染色体末端。人类端粒酶活性在大部分正常组织是受到抑制的,仅在胚胎发育和很少的干细胞中(比如造血干细胞,生殖细胞)存在但受到高度的调控。因此,正常细胞随着机体的衰老端粒逐渐缩短,但在大部分人类肿瘤中端粒酶被重新激活,使得短端粒的细胞逃避衰老发生永生化。因此,肿瘤细胞一般具有持续的端粒酶活性和较短的端粒。

2端粒在细胞癌变中的作用

几乎所有的癌前病变都有非常短的端粒,这很可能是一种初始的保护机制限制了正常细胞的分裂。短端粒限制细胞分裂最终导致细胞生长阻滞,细胞发生复制性衰老,因此衰老可能是大型长寿哺乳动物进化出来的一种抑制肿瘤的机制,避免生命的早期发生肿瘤。然而一些细胞获得癌基因的改变,跃过复制性衰老,细胞最终进入危机期。危机期的细胞端粒尤其短, 出现“断裂-融合-桥”周期,染色体末端发生融合,人类细胞极少能够逃避危机。逃过危机期的细胞重新激活端粒酶稳定端粒长度,获得永生化的生长能力,细胞发生癌变。跃过危机期的分子机制尚不清楚,有时是通过DNA 重组机制而不是端粒酶机制。

短端粒与端粒酶的激活被认为具有重要的联系。端粒很可能影响TERT 的调控,因为人的TERT 基因位于 5 号染色体上非常靠近端粒末端的位置。在大部分大型的长寿物种中,TERT 基因也都非常靠近端粒,端粒酶受到精细调控避免肿瘤的早期发生。端粒酶在人类胚胎发育的早期是活化的, 但在大概孕期3-4 个月时大部分组织的端粒酶都沉默了。因此,在人发育过程中当端粒达到某个起始长度时,具有端粒位置效应的3D 染色质结构沉默了TERT 基因的表达。随着端粒的缩短,端粒位置效应丧失,TERT 基因转录增强,端粒酶重新激活。这也符合大概70%的肿瘤都发生在65 岁以上的老年人群。

3短端粒是大型物种进化出抗癌保护机制

端粒长度具有物种特异性的特点,人们普遍认为肿瘤风险随着体积增大而增加,因为肿瘤是随机突变积累的结果。绝大多数哺乳类动物需要更多细胞复制延长寿命,那么在理论上就增加突变压力及患癌风险。然而,Peto 等指出患癌风险和物种大小不总是成比例。大型、长寿命哺乳动物相比小型、短寿命哺乳动物在患病率上并未增加,这个称为Peto 悖论。大型、长寿命哺乳动物通常在体内抑制端粒酶,并且相比较小型、短寿命哺乳动物其端粒更短。据报道,端粒酶受到抑制和体型增加有关,如一些体型较大的物种牛羊就表现出端粒酶活性的抑制,证明较大的物种进化出端粒酶活性的抑制机制。短端粒遗传长度作为抗癌保护机制已经在哺乳动物中得到大规模实验性验证。

小型物种表达较高端粒酶活性具有较长的端粒。一项对多种种系鼠的研究表明,端粒酶活性与体重负相关,与寿命不相关,长寿的种系具有较短端粒的趋势。和老鼠相比人类平均60-80 kg,寿命75-80 岁,而纯系大鼠体重 20-25 克,寿命 2-3 年。然而人类和大鼠患癌率相同,理论上人类的抗癌能力应是鼠类的10 万倍。其原因也许在于人类有更好的DNA 修复机制,又或许相比较野生型鼠类, 采用纯系鼠类和人类比较是不恰当的。大型和小型哺乳动物可能由于不同的肿瘤风险,进化出两种不同的端粒维持机制,大型哺乳动物进化出端粒酶抑制和复制性衰老,小型哺乳动物有端粒酶活性、较长的端粒并且缺乏复制性衰老,小型哺乳动物无法忍受在端粒堡垒激活之前形成的小肿瘤,因而进化出端粒不依赖的肿瘤抑制机制。

4端粒长度与肿瘤风险

考虑到癌症发生率随着年龄增加,老年人体细胞端粒较年轻人短,其发生肿瘤的倾向应该更大。Willeit 等通过对787 名参与者进行10 年的随访发现外周血淋巴细胞端粒的长度与癌症的发生率和死亡率呈负相关,端粒越短者癌症的发生率和死亡率越高,这些发现提示天生带有短端粒个体发生癌症可能性高。可能原因是端粒过短联合某些癌基因的改变影响基因组的稳定性从而增加了患癌风险。此外,包含27 个研究13 种肿瘤类型的Meta 分析表明短的端粒长度与肿瘤风险相关,尤其是在膀胱癌、食管癌、胃癌和肾癌中,相关性更显著。另一个纳入了29 个病例-对照研究的Meta 分析同样表明短的端粒长度与肿瘤风险相关,同样是在膀胱癌、消化系统癌和泌尿生殖系统癌相关性更显著,还发现在肺癌和吸烟相关的癌中相关性显著,在乳腺癌中无显著相关性。包含61 个病例对照研究的Meta 分析报道短的端粒长度与增加的胃肠肿瘤和头颈癌风险相关。然而,一项包含47 102 例大样本量的前瞻性研究得出了不一致的结论,这项研究的人群全是白种人,随访了20 年,采用定量PCR 的方法检测外周血白细胞端粒长度,结果发现短的端粒长度增加了肿瘤死亡风险,在522 例肺癌患者中,端粒长度每缩短1kb,死亡风险增加27%。但短的端粒长度与肿瘤风险无关。

近几年越来越多的研究报道长端粒与一些肿瘤的高风险相关。一项端粒长度与肿瘤风险相关性的孟德尔随机化研究显示,端粒长度与肿瘤风险相关性在不同癌种中明显不同,增加的端粒长度与胶质瘤、低度恶性潜能浆液性卵巢癌、肺腺癌、神经母细胞瘤、膀胱癌、黑色素瘤、睾丸癌、肾癌和子宫内膜癌高风险显著相关。在端粒长度与肾细胞癌风险的研究中,Machiela 等分析了10 -784 病例和20 406 对照,同样采用孟德尔随机化分析,9 个端粒长度相关的SNPs 代替端粒长度,结果发现遗传相关的更长的端粒与增加的肾细胞癌风险相关。而在一个大样本多变量校正的观察性分析中,长端粒相关的端粒维持基因的SNPs 与增加的肿瘤风险相关,尤其在黑色素瘤和肺癌中,但是外周血中长的端粒与增加的肿瘤风险不相关。以5 457 例亚洲非吸烟女性肺癌病例为研究对象,通过检测外周血白细胞中可以预测端粒长度的端粒相关基因的SNPs,也证明较长的端粒增加肺癌发病风险,但是机制并不清楚。但对高加索男性吸烟肺癌患者的研究和来自于多种人群847 例肺癌-对照样本的研究都证实,外周血白细胞中较长的端粒长度与增加的肺癌风险相关。另外,一项包括25 篇文献28 个研究的Meta 分析也得出相同的结论,外周血中更长的端粒长度与肺癌高风险相关。一项大样本量包含26 540 例参与者的前瞻性研究,检测外周血淋巴细胞的端粒长度,随访12 年,654 人发生肺癌,较长端粒与肺腺癌高风险相关,但与肺鳞癌和其他肺癌亚型不相关。这些研究都显示了外周血白细胞中端粒长度与肺癌风险的正相关性,有可能成为肺癌风险的预测标志物。可能的机制是长的端粒促进细胞的永生化,导致异常的细胞增殖和肿瘤形成。另一方面,长端粒可能与基因组不稳定相关,增加了细胞癌变风险。然而具体长端粒与肺癌高风险的生物学机制仍然有待阐明。

有多个研究发现端粒长度与肺癌的死亡风险也相关,例如一项包含788 例肺癌病例的前瞻性研究表明肺癌诊断前短的端粒长度增加了吸烟严重的小细胞肺癌患者死亡风险,尤其是晚期小细胞肺癌患者, 与肺腺癌和肺鳞癌患者的生存期无关。这似乎与长端粒增加肺癌风险相矛盾,但是需要指出的是这项研究里外周血获取的时间与肺癌诊断的时间间隔比较短,肿瘤患者的端粒可能已经发生了异常,另外组织亚型不同,小细胞肺癌与肺腺癌、肺鳞癌的生物学差异非常大,再者过长或过短的端粒都会导致端粒功能丧失。

在端粒长度与肝癌风险的研究中也证实了过长和过短端粒都不是有利的因素,通过孟德尔随机化分析 1 538 例 HBV 阳性的 HCC 患者和 1 465 例 HBV 阳性的对照,也采用9 个端粒长度相关的SNPs 代替端粒长度,分析发现遗传相关的较长或较短的端粒都与HBV 有关的肝癌风险相关。

端粒长度与肿瘤风险和肿瘤死亡风险相关性在不同的研究中表现出不一致性,说明端粒长度与肿瘤的相关性与肿瘤类型相关。但在同一类型肿瘤中,有些研究结果也并不一致,因为不同的研究端粒长度检测方法不一样,另外,研究设计、研究人群、样本量大小、统计学方法也存在不同。未来可能需要分别针对不同肿瘤类型甚至是肿瘤的不同亚型进行大样本的前瞻性研究,并且使用标准化的端粒长度检测方法,才能清楚认识到端粒长度在肿瘤中的真正作用,从而为临床诊断和患者的临床管理提供重要帮助。

大量证据表明端粒缩短导致的细胞衰老是大型物种进化出来的一种肿瘤抑制机制,防止物种在生命早期发生肿瘤。然而,另一方面人类端粒缩短会导致基因组不稳定,促进肿瘤的进程。长端粒也会导致基因组的不稳定,增加肿瘤的风险。尽管端粒长度与肿瘤风险与肿瘤类型有关,但对于同一种类型的肿瘤,不同的研究结果也不尽相同。临床实践中,需要谨慎评估端粒长度在肿瘤发生发展中的作用。未来,端粒长度和其他临床特征的联合可能会更好地预测肿瘤的发生发展。另外,深入的机制研究将增加对端粒长度调控的认识,使端粒生物学能够更好地应用于精准诊疗。

肿瘤医学论坛综合整理

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