《科学》:癌细胞“自毁”DNA求生!?

科学》:癌细胞自毁”DNA求生!科学家首次发现,放疗后癌细胞会有规律地切断DNA,破解放疗的杀招

放疗是运用最为广泛的基因毒性癌症疗法。放射线所具有的能量会导致细胞DNA损伤,包括DNA双链断裂(DSB)、单链断裂(SSB)和链间交联,从而阻断DNA复制和转录等,造成细胞死亡[1]。

由于G1/S检查点关键调控因子p53的存在,正常细胞在DNA损伤后将停滞在G1期(DNA合成前期),不进入S期(DNA合成期),并启动DNA损伤修复机制。但在肿瘤细胞中,G1/S检查点调控因子往往失去作用,使得肿瘤细胞很容易进入S期,因此放疗导致的DNA损伤是肿瘤细胞的致命“毒药”[2]。

而在临床中,有许多肿瘤对放疗不敏感。因此,“狡猾的”肿瘤细胞必定在进入DNA合成期(S)之后,进入分裂期(M)之前(即G2期),找到了救命的办法。

近日,丹麦哥本哈根大学Claus S. S?rensen教授领衔的团队在《科学》杂志发表重磅研究成果,帮我们揭开了谜团。

他们发现,肿瘤细胞在DNA被放射线破坏之后,会招募一种核酸酶(CAD)到DNA损伤处,主动切断自身特定位点的DNA,阻止复制分裂的进行,使得肿瘤细胞停滞在G2期(DNA合成后期),为修复放疗导致的DNA损伤赢得宝贵时间[3]。

这一颠覆性的研究,证实了肿瘤细胞在放射性DNA损伤的压力下,存在一种“剑走偏锋”的自救方式,并为改善放疗效果提供了新的思路和靶点。

论文首页截图

其实在十余年前,就有科学家发现在接受放疗后,除了最开始的一波DNA损伤,细胞还存在第二波DNA损伤[4],而造成这波延迟DNA损伤的原因一直不是很明确。

为了寻找放疗后由DNA损伤诱导的G2/M检查点调控因子,研究人员通过高通量siRNA对肿瘤细胞中已知的人核酸酶文库进行筛选。筛选出排名第一的因子为RBBP8,一个已知的G2/M检查点因子。

出乎意料的是,排第二的因子是CAD(CAD是参与细胞凋亡过程中DNA断裂的核酸酶,作为caspase信号级联反应的效应者),一个之前被认为与DNA损伤反应或细胞周期检查点调控无关的因子。

高通量siRNA对肿瘤细胞中已知的人核酸酶文库进行筛选

CAD的出现引起了S?rensen和他同事的注意,他们猜测核酸酶CAD可能就是导致放疗后细胞发生延迟DNA损伤的幕后主使,而且它能通过某种机制充当DNA损伤诱导的G2/M检查点调控因子。

为了验证这一点,研究人员对野生型和CAD-KO的人结直肠癌细胞HCT116进行放射性照射,发现野生型和CAD-KO细胞在照射后早期(10min-6h)的DNA损伤相似,但在24小时后,野生型细胞出现了远高于CAD-KO细胞的DNA损伤。这说明放疗后的延迟DNA损伤很可能就是CAD介导的。

在接受放射24小时后,野生型细胞出现了远高于CAD-KO细胞的DNA损伤

已有研究表明,在细胞中,CAD的激活通常是由caspase-3介导,它将CAD与ICAD(CAD抑制蛋白)分离,使CAD二聚化,进而裂解DNA。

然而,研究人员并没有观察到放疗后caspase-3激活和ICAD蛋白水解的证据。此外,泛-caspase抑制剂也并不能抑制DNA的延迟损伤。这表明放疗后CAD的激活方式并非是依赖于caspase-3的经典途径。

通过研究,S?rensen团队发现,在DNA损伤反应的介导下,CAD和ICAD都被招募到DNA断裂的区域。而ATM和ATR激酶(介导DNA损伤反应)活性的抑制或丧失可限制CAD/ICAD的招募,使得DNA断裂减少。

通过蛋白质序列分析,研究人员发现ICAD上存在可被ATM/ATR磷酸化的两个高度保守的位点(Ser107和Ser257),并通过针对Ser107和Ser257位点设计的ICAD磷酸化特异性抗体,验证了这两个位点在细胞受到放射性照射后都出现了广泛的磷酸化,且磷酸化程度取决于ATM和ATR激酶的活性。

ICAD上存在可被ATM/ATR磷酸化的两个高度保守的位点(Ser107和Ser257)

接着,研究人员设计了相应位点不能磷酸化的ICAD丝氨酸-丙氨酸突变细胞(S107A和S257A),以研究ICAD磷酸化的功能。将突变细胞放射性照射后,突变的ICAD不能稳定地被招募到DNA损伤区。

以上结果表明,依赖于ATR/ATM的ICAD的磷酸化是导致CAD/ICAD被招募到DNA损伤区的关键。

但问题来了,当CAD与ICAD结合时,其功能是受到抑制的啊?怎么还会导致DNA断裂呢?

原来是因为CAD与ICAD结合时,其发挥DNA酶作用的结构域仍然暴露在外。而常规情况下,CAD/ICAD二聚体是不会聚集在DNA区的,但当受到放射刺激后,DNA损伤反应使ICAD磷酸化,将CAD/ICAD招募到DNA损伤区,介导DNA断裂。

DNA损伤后使CAD/ICAD招募到DNA损伤区,介导DNA断裂

通过进一步研究,Claus S. S?rensen教授团队发现CAD介导的DNA断裂是在特定位点(位于染色质修饰的CCCTC结合因子位点附近)进行的,而非随机分布于基因组中。这也从侧面反应了这种自主的DNA断裂是肿瘤细胞有“预谋”的进行的。

损伤的DNA位于特定位点(位于染色质修饰的CCCTC结合因子位点附近)

紧接着,研究人员探究了CAD是如何使肿瘤细胞停滞在G2期,而不进入M期。他们发现在CAD介导细胞DNA断裂后,细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶CDK1的抑制性磷酸化(Tyr15)减少,活化的检查点因子CHK2减少,导致了细胞停滞在G2期。

不过,CAD对正常细胞的G2/M期的进行并不会有明显影响,因为正常细胞拥有正常的p53和pRB通路,即有完善的G1/S检查点,因此减少了对G2/M检查点的依赖。

最后,研究人员通过使用人肿瘤异种移植小鼠模型在体内评估放射治疗中CAD的功能。与细胞中的研究一致,相比于CAD野生型肿瘤,CAD功能缺陷肿瘤中对放射治疗更敏感。

相比于CAD野生型肿瘤,CAD功能缺陷肿瘤中对放射治疗更敏感

总的来说,该研究发现并证实了肿瘤细胞在受到放疗后的一种独特的自救模式。在遭遇放疗导致的DNA损伤后,肿瘤细胞中的CAD/ICAD在DNA损伤反应的介导下被招募到DNA损伤区,引发基因组中特定位点的DNA断裂。

机制示意图

虽然DNA断裂对细胞来说通常是个坏消息,但肿瘤细胞可能是在自主制造一些简单易于修复的DNA损伤,使分裂旺盛的肿瘤细胞停滞在G2期,从而获得足够的时间来修复放疗带来的DNA损伤。可能这就是所谓的“大局观”吧。

希望这一发现能帮助科学家找到肿瘤对放疗耐受的解决方案,让放疗变得更有效。

参考文献

1.Sharma RA, Plummer R, Stock JK, Greenhalgh TA, Ataman O, Kelly S, Clay R, Adams RA, Baird RD, Billingham L et al: Clinical development of new drug-radiotherapy combinations. Nat Rev Clin Oncol 2016, 13(10):627-642.

2.Halazonetis TD, Gorgoulis VG, Bartek J: An oncogene-induced DNA damage model for cancer development. Science 2008, 319(5868):1352-1355.

3.Larsen BD, Benada J, Yung PYK, Bell RAV, Pappas G, Urban V, Ahlskog JK, Kuo TT, Janscak P, Megeney LA et al: Cancer cells use self-inflicted DNA breaks to evade growth limits imposed by genotoxic stress. Science 2022, 376(6592):476-483.

4.Cieslar-Pobuda A, Saenko Y, Rzeszowska-Wolny J: PARP-1 inhibition induces a late increase in the level of reactive oxygen species in cells after ionizing radiation. Mutat Res 2012, 732(1-2):9-15

来源:搜狐健康

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