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Nature亮点 | p53决定肿瘤细胞命运或与α-酮戊二酸有关

日期:2019-09-20 14:38:46 来源: BioArt 点击:

胰腺导管腺癌PDAC)是胰腺中最常见的恶性肿瘤,大约95%的胰腺癌都是PDAC。PDAC是一种上皮性肿瘤,起源于胰腺导管或小导管的细胞,在正常情况下,胰管是消化酶和腺泡细胞产生的碳酸氢根离子到达小肠的管道,因此导管细胞和腺泡细胞共同代表了“外分泌”胰腺,而绝大多数胰腺肿瘤都是由此产生的。目前研究认为PDAC的发展是在一段较长的时间内发生的,并且很可能与其他癌症(尤其是结肠癌)相似,是一个逐步发展的过程,这种进展的特征是正常胰腺导管向一种称为胰腺上皮内瘤变(PanIN)的侵袭前的前期病变的转变,这种病变最终可发展为侵袭性PDAC【1】。这种转变是由基因突变的逐渐积累所推动的。KRAS癌基因突变是PDAC中最常见和最早发现的突变之一,发生在大约90%的病例中,PDAC中常见的其他基因突变包括癌基因her-2/neu的激活和p16、p53及smad4等抑癌基因的失活【1,2】,而其中在大多数人类癌症中都发生突变的肿瘤抑制因子p53,也被发现在超过70%的PDAC中突变【3】


研究表明,突变的KRAS足以引发一系列分化良好的癌前PDAC前体病变,包括胰腺上皮内瘤变【4】,而癌症恶性程度的发展通常与TP53突变的获得相一致,后者与低分化疾病密切相关。已知野生型p53在细胞应激反应中积累,从而调节基因的表达以改变细胞命运、阻止肿瘤发展,此外,野生型p53也可以调节细胞代谢途径,但是p53依赖性的代谢改变与癌症进展的具体关系目前还不清楚【5】。与此同时,研究已经确定了KRAS在PDAC细胞代谢重组中的关键作用,但p53调节的代谢是否限制PDAC的发展,或者TP53突变的代谢结果是否维持疾病的恶性程度都仍有待确定。


2019年9月19日,来自美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Scott W. Lowe教授研究团队在Nature上在线发表题为α-Ketoglutarate links p53 to cell fate during tumour suppression的文章,首次证实α-酮戊二酸作为p53介导的肿瘤抑制的效应器,其在p53缺陷肿瘤中的积累可以促进肿瘤细胞的分化,进而对抗肿瘤恶性程度的进展,从而揭示了p53重塑癌细胞代谢以加强染色质和基因表达变化而影响细胞命运的新机制。



为了研究p53对PDAC癌细胞命运决定的机制,本文的研究人员首先开发了一种改良的小鼠模型,通过胰腺特异性表达癌基因KRAS以及通过条件性缺失或p53突变使p53失活来模拟人类PDAC发展和组织病理学的许多方面。而文中的研究系统中,p53功能的缺失是通过靶向p53的多西环素调控的shRNA和与mKate2相关的等位基因上的反向四环素控制的反式激活因子(rtTA)四环素来实现的(图1),在这种结构中(定义为KPsh,由胰腺特异性Cre重组系统驱动的突变KrasG12D的表达,伴随着多西环素给药后p53表达的抑制,模拟了KRAS的激活和p53的突变,加速了侵袭性、低分化疾病的发生,同时这种系统通过撤除多西环素给药,可以在肿瘤形成后使内源性p53重新激活。


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图1 基于KPsh胚胎干细胞的PDAC基因工程小鼠模型


以上述PDAC小鼠模型获得的PDAC细胞系KPsh细胞系)为实验对象,得益于其特点,研究者们首先证实了p53的失活对于肿瘤发生是必须,进一步研究p53对于PDAC代谢的影响发现,KPsh细胞系中p53的恢复,尽管诱导了细胞周期的阻滞,但是并没有导致葡萄糖和谷氨酰胺的消耗或乳酸产生的重大变化,但是通过监测线粒体三羧酸循环(TCA)对葡萄糖和谷氨酰胺的利用表明p53触发了一个代谢开关,其特征是葡萄糖衍生碳的结合增加,谷氨酰胺衍生碳对TCA循环中间体的贡献减少,这个代谢改变使得α-酮戊二酸(αKG)累积而琥珀酸盐显著减少,即αKG /琥珀酸比值增加。


已有研究表明αKG /琥珀酸比值的改变与αKG依赖的染色质修饰酶活性的改变有关,并在某种程度上参与细胞命运决定。因此,本文通过进一步的研究发现,p53诱导了具有癌前分化特征的转录程序的发生,而这种作用可以通过添加细胞通透性αKG来部分重现。此外,αKG依赖性染色质修饰5-羟甲基胞嘧啶(5hmc)水平的增加伴随着p53引发的肿瘤细胞的分化,而5hmc水平的降低则是由癌前病变向去分化恶性病变转变的特征,这种转变又与p53的突变相关。与此同时,通过抑制氧化戊二酸脱氢酶(OGDH,一种三羧酸循环酶)以在p53缺陷的PDAC细胞中增强αKG的积累,导致了5hmc的增加,促进了肿瘤细胞的分化,并降低了肿瘤细胞适应性;相反,通过αKG依赖性双加氧酶竞争性抑制剂来增加细胞内琥珀酸的含量将减弱p53驱使的肿瘤抑制(图2)


图2


综上所述,本文的研究结果首次确定了p53功能、染色质调节和肿瘤细胞命运之间的代谢联系。当对致癌信号作出反应时,p53将重塑葡萄糖和谷氨酰胺的代谢以促进αKG的积累,从而增强αKG依赖性效应器的活性,促进基因表达的癌变前模式发生;而p53的缺失可阻止这些代谢效应,并使肿瘤向更具侵袭性和分化程度较低的癌细胞转变,这时癌细胞显示出αKG依赖性活性降低的特征。由此说明了p53作用的代谢结果是如何促进p53驱动的肿瘤抑制作用的,并进一步表明αKG在肿瘤抑制中具有积极作用,为p53缺陷肿瘤的治疗提供了新策略和新方向。


原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1577-5


参考文献



1. Hruban RH, Goggins M, Parsons J, Kern SE. Progression model for pancreatic cancer. Clin Cancer Res 6(8):2969-2972, 2000.

2. Jones S, Zhang X, Parsons DW, et al. Core signaling pathways in human pancreatic cancers revealed by global genomic analyses. Science 321(5897):1801-1806, 2008.

3. Waddell, N. et al. Whole genomes redefine the mutational landscape of pancreatic cancer.Nature 518, 495–501 (2015).

4. Morris, J. P. IV, Wang, S. C. & Hebrok, M. KRAS, Hedgehog, Wnt and the twisted developmental biology of pancreatic ductal adenocarcinoma. Nat. Rev. Cancer 10, 683–695 (2010).

5. Kruiswijk, F., Labuschagne, C. F. & Vousden, K. H. p53 in survival, death and metabolic health: a lifeguard with a licence to kill. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 16, 393–405 (2015).



(责任编辑:labweb)

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