《细胞》:癌细胞的“飞升”之路

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停,再说下去就要从奇点移步起点了。总之,类似于“涅槃重生”的名言典句或是文学故事都很多,人们认为当无限接近于死亡或者遭受极度苦难时,或许能够绝处逢生、迸发出未知潜能,变得更加强大。

有个坏消息是,近日一篇发表在顶刊Cell上的文章表示,癌细胞也偷学会了这一招。

圣犹大儿童研究医院的Douglas R. Green和他的同事们通过促进癌细胞凋亡发现,那些逃过死亡存活下来的癌细胞发生不完全线粒体外膜通透(iMOMP),持续释放促凋亡因子细胞色素c。细胞色素c一方面促进这些癌细胞进入凋亡状态,另一方面还会激活整合应激反应(ISR)。

在这种情况下,细胞色素c介导的细胞整合应激反应超过细胞凋亡的效果,最终帮助这群癌细胞完成“绝地逢生”,成为持久存留细胞(persister cell)。[1]

对于一部分肿瘤细胞来说,耐药性是“天赋”,也就是耐药特性写在了基因里,让它们在癌症治疗中雷打不动。也有一部分肿瘤细胞,是靠“后天努力”获得性耐药,它们本来只是普通的无名小卒,但在诱导细胞死亡的抗肿瘤治疗中九死一生,变得更加具有侵袭性,与癌症复发相关,这些肿瘤细胞被称为持久存留细胞。[2]

相比于“出生自带光环”的耐药细胞,持久存留细胞倒是与没有经过治疗的肿瘤细胞、拥有许多共同特征。持久存留细胞的主要表型包括:①对初始治疗或其他毒性治疗具有短暂耐受;②对谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的依赖性增强;③细胞周期变缓;④基因表达谱没什么明显变化。

在此之前还没有相关研究揭示,这些难缠的肿瘤细胞是如何逃脱死亡甚至还得到了强化。今天,我们就要讲讲“持久存留细胞是怎样炼成的”。

在这项研究中,研究者们使用两种BH3模拟物类抗肿瘤药物(ABT-737和S63845)来诱导癌细胞死亡,从而获得持久存留细胞。

他们先后在体外实验和小鼠体内实验(结直肠癌模型和肺癌模型)中,对持久存留细胞进行了一系列观察。结果显示,与未经处理的肿瘤细胞相比,死里逃生的肿瘤细胞的定植能力更强,转移能力更强,但增殖速度更慢。从耐药性上看,这些持久存留细胞不仅对BH3模拟物短暂耐受,对其它抗肿瘤药物如靶向药厄洛替尼(Erlotinib)、化疗药顺铂等,同样具有耐药性。更惊人的是,持久存留细胞不管是再次暴露于哪种抗肿瘤药物,活性都会进一步显著增强。

C.D.E:在肺癌、结直肠癌小鼠模型中观察到,PS侵袭性更强(PS:持久存留细胞)

所以说,持久存留细胞这算是渡劫成功了么。回归正题,持久存留细胞究竟是如何“绝地逢生”的呢?

拿细胞凋亡来说,这种细胞死亡方式可由多种应激反应(致癌、代谢和遗传因素等)触发,也可由靶向于凋亡途径的药物如BH3模拟物来诱导发生。BH3模拟物靶向作用于BCL-2抗凋亡蛋白家族的效应蛋白BAX、BAK、BOK,致使其与抗凋亡蛋白解离并作用于线粒体,引起线粒体外膜通透(MOMP),导致线粒体膜间隙中的关键凋亡诱导因子细胞色素c释放,继而激活下游细胞凋亡通路。[3-5]

有趣的是,在持久存留细胞中,研究者们确确实实观察到这些死亡“迹象”,如抗凋亡蛋白及其效应蛋白的解离、MOMP的发生、细胞色素c的释放。那么,到底是遗落了哪条线索?

借助基因敲除的技术,研究者们在人肺癌细胞(PC9)体外实验以及转录组学分析结果中观察到,持久存留细胞的表型及活性(定植及转移能力),依赖于BCL-2及其效应因子BAX、BAK、BOK的存在。

不仅如此,基于单细胞RNA测序(scRNA-seq)、拟时序分析(pseudotime)等方法,研究者们在持久存留细胞的形成过程中看出了端倪。

咱们前面提到,持久存留细胞的一大特征就是和未经过治疗的癌细胞基因表达谱相近,而研究者们发现这件事并非始终如一。相比于未经过治疗的癌细胞,BH3模拟物处理后第1天得到的持久存留细胞中,整合应激反应通路中的相关基因富集,但与细胞增殖(DNA复制、细胞周期)相关的基因表达水平减少,这些差异均在处理后的第3天、第7天逐渐缩小。

也就是说,持久存留细胞在早期形成阶段,除了发生细胞凋亡这一事件,整合应激反应也被短暂地激活。

结合这两条线索,研究者们进一步深挖发现,确实是细胞凋亡这条路子出了差错,癌细胞死了,但没死透。

研究结果表明,在持久存留细胞中,发生的是不完全线粒体外膜通透(iMOMP),在这种情况下释放的细胞色素c能够同时打开两扇相互独立的“生死门”,一方面介导细胞凋亡,另一方面还会启动整合应激反应。

具体来看,整合应激反应可以看作是细胞的“检修”行为,当发生蛋白质稳态缺陷、营养缺乏、病毒感染和氧化应激等细胞内或细胞外的损伤时,通过对基因表达的重编程来恢复平衡,帮助细胞渡过难关[6]。在持久存留细胞的早期形成阶段,也就是刚遭受抗肿瘤药物毒打的时候,依赖于iMOMP这一事件,细胞色素c通过激活蛋白HRI来激活整合应激反应,诱导细胞内转录激活因子4 (ATF4) 表达上调,继而导致促进细胞存活的基因以及阻止死亡的基因表达上调,把这些癌细胞从死亡边缘拉回来。

最后,研究者们在小鼠实验中通过诱导或敲除表达的方式,验证HRI、ATF4对于持久存留细胞侵袭性等表型的必要性。更重要的是,他们还收集癌症患者(肺癌、乳腺癌、胃癌、卵巢癌等)的病理样本进行分析发现,HRI在肿瘤组织中的表达明显高于正常组织,且不同患者个体间存在巨大差异,HRI高表达的患者生存率更低。

简而言之,Douglas R. Green及其同事揭示,持久存留细胞的早期形成依赖于iMOMP的发生和细胞色素c的释放,蛋白HRI和转录激活因子ATF4是细胞色素c启动癌细胞“自救系统”的关键。

对于这项研究成果,研究者们强调,“成功诱导癌细胞启动凋亡程序,并无法就此判决它们线]。同时,这一结论也从新奇的角度为癌症治疗提供了潜在的药物靶点,或可通过干扰整合应激反应中的关键蛋白来抑制持久存留细胞的生成或活性,预防癌症复发等。

原标题:《《细胞》:癌细胞的“飞升”之路!科学家揭秘幕后,没死透的癌细胞如何超越自我,变身“癌细胞plus”》

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