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《苏州医工所生物标志物研究中心在美国科学院院报发表溶酶体介导的细胞死亡表观转录调控新分子和通路》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2022-02-23

  • 溶酶体膜的完整性对细胞的命运至关重要，一旦溶酶体膜通透性改变，就会释放以组织蛋白酶为主的多种水解酶到细胞质中，通常会导致细胞死亡，称为溶酶体依赖性细胞死亡。目前，有多种机制可解释溶酶体通透性，包括：（1）线粒体产生的活性氧自由基氧化破坏溶酶体膜完整性；（2）溶酶体内的鞘氨醇在特定条件下富集，调控溶酶体通透性；（3）促凋亡蛋白Bcl-2家族与溶酶体直接相互作用，在溶酶体膜上形成孔道导致组织蛋白酶的释放；（4）磷酸化的转录因子p53可易位到溶酶体膜上诱导溶酶体膜通透性；（5）溶酶体膜蛋白成分的改变诱导溶酶体膜通透性等。

    　　鉴于溶酶体功能在癌细胞中的重要作用，目前，科研人员针对溶酶体开发了多种小分子化合物，这些小分子化合物可诱导溶酶体膜通透性或者干预溶酶体功能来杀伤肿瘤细胞。例如，氯喹可诱导溶酶体膜通透性来调节溶酶体功能，从而恢复难治性非小细胞肺癌细胞对顺铂的敏感性；沙利霉素有效隔离溶酶体内的铁诱导溶酶体膜通透性，从而有效杀死肿瘤细胞。这些发现表明，对传统疗法不敏感的癌细胞或许可通过使用激活溶酶体细胞死亡途径进行有效治疗。另外，肿瘤细胞溶酶体比正常细胞更脆弱并且更容易发生溶酶体膜通透性和溶酶体依赖性细胞死亡。因此，针对溶酶体依赖性细胞死亡途径的干预可能是多种类型癌症的有效治疗策略。然而，目前我们对溶酶体依赖细胞死亡的认识才刚刚起步，相关的分子靶标以及分子机制有待深入研究。

    　　近日，苏州医工所生物标志物研究中心在国际顶级期刊Proceedings of the National Academy of Sciences发表研究论文“LCDR regulates the integrity of lysosomal membrane by hnRNP K-stabilized LAPTM5 transcript and promotes cell survival”，该研究首次报道调控溶酶体介导细胞死亡的表观转录调控新分子，并详细阐明了调控机制以及临床意义，为肿瘤生物标志物的开发与临床靶向治疗提供新的理论基础。

    　　首先，研究者系统性整合分析了组蛋白乙酰化调控以及癌症基因组图谱数据库差异表达的基因，发现一个全新的溶酶体细胞死亡调节（lysosome cell death regulator， LCDR）基因在肺癌中显著高表达且受到组蛋白乙酰化的调控。接着，为了研究LCDR的生物学功能，研究者在肺癌细胞中敲减LCDR进行实验，敲减 LCDR 显著降低细胞的增殖以及克隆形成能力，并诱导了细胞凋亡。同样地，小鼠皮下移植瘤实验显示出一致的结果。随后，为了进一步阐明LCDR调控的信号通路，研究者通过RNA下拉、转录组测序及RNA结合蛋白免疫沉淀等实验证实，LCDR 通过与核内不均一核糖核蛋白 K (heterogeneous nuclear ribonucleoprotein k, hnRNP K) 的KH1结构域相互结合，促进 hnRNP K蛋白的KH3结构域与溶酶体跨膜蛋白 5( lysosomal protein transmembrane 5, LAPTM5)的3′末端非翻译区相互结合，并提高了 LAPTM5 的稳定性，维持了溶酶体膜的稳定性，从而抑制溶酶体依赖性细胞死亡，促进细胞生存。

    　　众所周知，组蛋白乙酰化修饰是表观遗传的重要调控方式，其复杂而精准地调控基因表达，在肿瘤的发生与发展过程中发挥着重要的作用。靶向组蛋白去乙酰化酶是癌症治疗中一种很有前景的治疗策略，然而，临床前证据表明，靶向组蛋白去乙酰化酶的单一药物在癌症患者治疗中仅具有中等疗效，这可能由于靶向组蛋白去乙酰化酶药物同时影响了二级信号通路。本文中研究者系统性鉴定了组蛋白乙酰化调控的基因表达谱，并发现组蛋白去乙酰化酶抑制剂可以显著诱导LCDR 的表达并通过维持溶酶体的完整性促进癌细胞存活，这可能是导致乙酰化酶药物不良效果的部分原因。因此靶向组蛋白去乙酰化酶和LCDR的联合治疗可能对部分患者具有更佳的疗效，为患者的治疗提供新的思路。

    　　此外研究表明LCDR，hnRNPK和LAPTM5的表达量显著高于癌旁组织， LCDR与hnRNP K以及LAPTM5的表达量存在显著的相关性，且LCDR/hnRNP K/LAPTM5受试者工作曲线联合分析显示出更高的灵敏度以及特异性。同时，研究者开发了核靶向性的纳米材料递送si-LCDR，并使用患者来源异种移植小鼠模型鉴定了LCDR作为临床靶标的可行性。

    　　综上所述，研究者首次鉴定了一个全新的表观转录调控新分子在转录后水平调控溶酶体依赖性细胞死亡（图1），并揭示了一个全新的LCDR/hnRNP K /LAPTM5轴调控肺癌的发生与发展，这些发现为癌症的治疗提供了一个很有前景的策略。

    　据悉，本文的最后通讯作者是高山研究员。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略先导等项目的支持。

    　　论文链接：https://www.pnas.org/content/119/5/e2110428119

  • 原文来源：http://www.sibet.cas.cn/kxyj2020/kyjz_169572/202201/t20220130_6350911.html
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  • 《中国科学院苏州医工所生物标志物研究中心发现：免疫检查点分子PD-1在肿瘤中普遍表达》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2020-11-17
    • 程序化死亡分子1（programmed cell death protein 1,PD-1）为I型跨膜糖蛋白，是免疫反应中重要的负性调控因子。在正常情况下，PD-1通过与其配体PD-L1,PD-L2结合抑制T淋巴细胞的功能，从而抑制自身免疫应答。 　　PD-1是免疫反应中重要的检查点分子之一，主要在外周组织中的成熟细胞毒性T淋巴细胞上和肿瘤微环境（TME）中表达。研究发现，PD-1的两个配体，PD-L1和PD-L2也由肿瘤细胞表达，从而导致免疫耐受。近年来，免疫检查点阻滞剂抗PD-1、抗PD-L1抗体已用于治疗多种人类肿瘤，如黑色素瘤、肾细胞癌、NSCLC、霍奇金淋巴瘤。但研究表明，尽管已广泛使用PD-L1作为有利的生物标志物，病人对抗PD-1/PD-L1药物的反应率仍然只达到20-40％左右。目前，免疫检查点治疗（ICT）针对PD-1/PD-L1的基本机制还未完全了解。最近的研究表明，PD-1在缺乏适应性免疫的癌症中起重要作用。但是，PD-1在肿瘤细胞上表达的潜在功能和机制仍然未知。 　　近日，中国科学院苏州医工所生物标志物研究中心在Publish form for Proceedings of the National Academy of Sciences发表研究论文“Tumor cell-intrinsic PD-1 receptor is a tumor suppressor and mediates resistance to PD-1 blockade therapy”(链接：https://www.pnas.org/content/117/12/6640)，发现肿瘤细胞中同时表达PD-1和PD-L1，在缺乏适应性免疫的情况下，PD-1/PD-L1信号轴通过包括AKT和ERK1/2两大经典信号通路抑制肿瘤的生长。该研究突出了PD-1信号传导途径的分子功能和机制，揭示了肿瘤细胞固有的PD-1可作为患者选择ICT的潜在生物标记。 　　首先，研究者在13种不同的肿瘤细胞中，包括40种细胞系，检测了PD-1的核酸水平和蛋白水平，发现在这些肿瘤细胞中PD-1都有表达。同时，也检测了这些肿瘤细胞的PD-L1的蛋白表达水平。除此，在七个肺癌患者的肿瘤组织中，其中有两例患者也同样检测到了PD-1的表达（%≧2）。接着，为了研究PD-1和PD-L1在肿瘤细胞系的功能，研究者利用在细胞中敲减或过表达PD-1和PD-L1进行实验，发现PD-1和PD-L1都是肿瘤抑制性分子。同样地，小鼠皮下移植瘤实验也验证了与体外实验同样的结论。那么PD-1/PD-L1是如何影响了肿瘤细胞的增殖？研究者发现，在敲减或过表达PD-1和PD-L1的同时，会引起经典信号通路中AKT和ERK1/2蛋白磷酸化水平的变化。这说明肿瘤细胞中的PD-1和PD-L1是通过包括AKT和ERK1/2在内的经典信号通路影响肿瘤细胞的生长的。 　　随后，研究者继续探索了在肿瘤细胞中，PD-1和PD-L1也是通过相互作用发挥功能的。该研究通过一系列实验设计发现，在同一株细胞中同时过表达PD-1和PD-L1会进一步抑制肿瘤细胞的生长；而同时敲低两者后则不会进一步加剧肿瘤细胞的生长，这表明在肿瘤细胞中，PD-1同样是依赖于受体PD-L1发挥功能的。 　　目前，PD-1抗体和PD-L1抗体越来越多的应用于对肿瘤病人的治疗。并且，有研究发现，肿瘤细胞中表达PD-1，利用抗PD-1抗体治疗后抑制了肿瘤细胞的生长，如黑色素瘤，肝癌等；在没有适应性免疫的情况下，以PD-1为靶点的抗体治疗会降低卵巢癌和膀胱癌细胞的细胞生长。这些数据都表明，肿瘤细胞固有的PD-1是潜在的癌基因。但是，也有功能研究表明，表达PD-1的鼠类肿瘤细胞在PD-1靶向抗体治疗下在体内和体外均显示出促进肿瘤生长，这表明肿瘤细胞固有的PD-1在NSCLC中起着抗肿瘤作用，这也为有些病人并不能对抗PD-1抗体的治疗有效应答提供了一定的证据支撑。因此，为了进一步研究PD-1在肿瘤细胞中的作用，研究者利用免疫缺陷小鼠构建了荷瘤鼠，然后分成三组，分别腹腔注射IgG可溶性蛋白，Nivolumab和Pembrolizumab，发现注射Nivolumab和Pembrolizumab的两组小鼠荷瘤明显比对照组长的快。一致的，免疫组化结果显示，注射Nivolumab和Pembrolizumab的两组小鼠荷瘤中的AKT和ERK的磷酸化水平明显升高。因此该研究进一步揭示了PD-1是一种肿瘤抑制因子，可抑制体内系统中的经典信号通路，例如AKT和ERK1/2通路。除此，研究者还发现PD-1阻断还会促进结肠癌细胞的生长和激活AKT和ERK1/2信号通路。这表明，PD-1的抗肿瘤功能不仅限于NSCLC，而且可能在多种肿瘤类型中起作用。这些研究表明，肿瘤细胞固有的PD-1在不同的肿瘤类型/细胞系中起拮抗作用。 　　近年来，以CTLA-4、PD-1和PD-L1等为靶点的免疫检查点抑制剂也广泛地应用于临床。但是，在使用这些药物的同时，在临床上有些患者也出现了其他免疫相关的反应，如肿瘤病变或者肿瘤外观的初始增大，随着药物的继续使用，肿瘤负荷将会减轻。这种临床反应被称为假进展（pseudoprogressive disease，PPD）有些患者即在使用药物治疗后，患者的病情非但没有好转，肿瘤反而生长加快，病情恶化，这就是超进展（hyperprogressive disease，HPD）。但是，HPD的机制尚未明确。而该研究可能为PPD和HPD提供了解释。即当抗体有效激活T细胞时，肿瘤细胞被激活的T细胞破坏。但是，如果患者在刚开始使用抗体治疗后，活化的T细胞水平较低，不足以消灭肿瘤细胞，则肿瘤会通过激活肿瘤固有的PD-1/PD-L1功能而更快地生长，并在T细胞过度激活后发生退化，称为PPD。相比之下，某些病人本身免疫力低下，抗体激活的T细胞一直处于低水平状态，或肿瘤细胞上PD-1/PD-L1表达适当升高的情况下，抗体介导的治疗会增强肿瘤细胞的生长并增强抗肿瘤免疫力，从而导致HPD发生。总之，该研究为这一观点提供了进一步的数据支撑，即在进行PD-1/PD-L1阻断后，T细胞的活化与肿瘤细胞生长之间的平衡可能对于免疫检查点治疗的临床结果至关重要。
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  • 《科学家发现细胞命运调控的“表观组-代谢组-表观组”跨界蝴蝶效应》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2020-08-28
    • 8月24日， Nature子刊《自然·代谢》（Nature Metabolism）在线发表了中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组的最新研究成果。研究提出由母系转录因子Glis1调控多能干细胞命运的 “表观组-代谢组-表观组”的跨界级联反应新概念，表明Glis1实现衰老细胞重编程并稳定基因组的强大功能，揭示Glis1介导“表观组-代谢组-表观组”的级联反应中，糖酵解代谢组驱动的组蛋白乙酰化和乳酸化修饰在前期和后期的表观遗传组连接中发挥“他山之石”的核心作用。 　　诱导多能干细胞（iPSC）技术为研究人类疾病病理和再生医学治疗提供了广阔前景，同时是研究细胞命运转变的良好模型。iPSC重编程机理在不同层次被广泛研究，包括表观层次、转录层次、代谢层次以及细胞层次方面。然而，重编程中多层次是否及怎样“跨界”调控干细胞命运，是一个一直没有回答的基本科学问题。 　　本研究着眼于被称为“Yamanaka第五因子”的Glis1，这一母系转录因子只在卵子和受精卵中表达。研究团队首先发现Glis1不仅促进正常细胞重编程，而且实现了衰老细胞重编程。进一步发现由Glis1得到的iPSC基因组更加稳定。这些表明Glis1是一个强有力的细胞命运决定因子。 　　刘兴国团队运用染色质免疫共沉淀测序和转录组测序联合分析、靶向代谢物组学、染色质开放性测序等多组学技术全面解析并归纳了Glis1介导多能性获得的独特3阶段途径——“表观组-代谢组-表观组”跨界级联反应。阶段1：随机阶段，此级联反应在重编程早期由Glis1与体细胞基因和糖酵解基因的启动子结合而启动。Glis1的结合会关闭体细胞基因的表达，同时开启糖酵解基因的表达。阶段2：化蛹成蝶阶段，糖酵解基因的表达激活了这一通路，同时线粒体氧化磷酸化未受影响。因此促进了细胞从线粒体氧化磷酸化到糖酵解的代谢重塑，上调的糖酵解产生更多的代谢物：乙酰辅酶A和乳酸。这两类代谢物是代谢与表观遗传联系的关键分子。阶段3：决定阶段，乙酰辅酶A和乳酸水平的提高分别调控了“第二波”基因和多能性基因启动子上的组蛋白乙酰化修饰和乳酸化修饰，在染色质水平打开并促进基因转录表达，而加速了多能性的获得。因此，阶段2 化蛹成蝶阶段，通过独特的代谢重塑连接阶段1和3，来实现表观基因组信号的级联扩增。 　　本研究提出细胞命运调控的“表观组-代谢组-表观组”跨界级联反应概念，具有广泛的生理病理意义。Glis1不仅在母系细胞中高表达，而且在病理条件例如癌细胞中同样高表达，因此这一跨界级联反应具有潜在的重要病理意义。重要的是，这一概念适用于众多表观因子，为细胞与发育的生理调控和病理发现提供了全新的理论基础。 　　值得一提的，本研究发现由乳酸产生的新型组蛋白乳酸化修饰调控细胞干性。这是继组蛋白乳酸化修饰2019年10月在巨噬细胞极化中被发现后，首次发现此修饰调控细胞转换。乳酸，在7月20日Nature Metabolism的观点文章中被认为这一代谢领域的丑小鸭正在成为代谢重塑的白天鹅。刘兴国博士团队的发现为这一新兴方向奠定了基础。 　　科研人员生动地将跨界级联反应比喻为“蝴蝶效应”：转录因子Glis1犹如蝶恋花的微风，引发全基因组水平多能性的龙卷风，这一蝴蝶效应，并非单单依靠基因组水平可以完成，需要“他山之石”——代谢水平跨界来连接，形成“表观组-代谢组-表观组”的级联反应三部曲。这一跨界级联反应，正如蝴蝶效应中微风变飓风需要千里的混沌条件，又如那青花瓷的美丽在纯青炉火中需要渺渺烟雨共同塑就。体细胞要返老还童，回到精卵“一如初见”的多能性状态，需要代谢这一跨界伏笔。 　　本研究与复旦大学合作完成，获得国家重点研发项目、国家自然科学基金、中国科学院、广东省、广州市、博士后启动经费的经费支持。
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