厦门大学周大旺组Cancer Cell揭示肝癌发生重要机理-观察-生物探索
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厦门大学周大旺组Cancer Cell揭示肝癌发生重要机理

2017/05/11 来源:BioArt
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导读
5月8日,细胞信号网络协同创新中心、细胞应激生物学国家重点实验室、厦门大学生命科学学院周大旺教授和陈兰芬教授研究团队在Cancer Cell杂志上发表了最新研究成果。他们发现,Hippo信号通路在限制肝脏细胞的染色体由两倍体向多倍/非整倍体转变过程中起关键作用,该机制异常将导致基因组不稳定继而诱发肝癌的发生发展。


多倍体细胞的分裂将导致非整倍体的产生,从而造成原癌基因的扩增或抑癌基因的丢失,引起基因组不稳定性和肿瘤的发生发展。因此研究机体调控多倍体细胞产生及多倍体细胞进行细胞分裂的调控机理对于理解肝癌的发病机理和肝癌的治疗至关重要,然而这一具体的分子机理目前仍然知之甚少。

5月8日,细胞信号网络协同创新中心、细胞应激生物学国家重点实验室、厦门大学生命科学学院周大旺教授和陈兰芬教授研究团队在Cancer Cell杂志上发表了题为“Hippo Signaling Suppresses Cell Ploidy and Tumorigenesis through Skp2”的研究论文,研究发现,Hippo信号通路在限制肝脏细胞的染色体由两倍体向多倍/非整倍体转变过程中起关键作用,该机制异常将导致基因组不稳定继而诱发肝癌的发生发展。此外,该研究还发现Hippo通路失活造成Skp2活化及出核才是造成多倍体的产生的主因,而不是此前主要认为Hippo通路中Lats激酶是通过稳定p53来抑制多倍体产生。鉴于该工作的重要意义,BioArt特别邀请到了复旦大学生物医学研究院雷群英教授和浙江大学生命科学研究院赵斌教授做精彩点评,以飨读者!


论文解读:

大多数真核生物的体细胞是二倍体,即仅含有两组染色体,分别遗传自父本和母本。而一些特定组织如心脏、肝脏等就含有多倍体细胞,特别是肝脏组织含有较高比例的四、八倍体等多倍体细胞。肝脏是作为人体的重要解毒器官,同时酒精、肝炎病毒等毒性物质或毒性代谢物容易诱发肝细胞的基因突变,多倍体被认为有利于提供代偿性的正常基因来维持肝脏稳态。多倍体细胞通常会停滞在细胞周期的间期——G1期,这些细胞很少进行细胞分裂增殖,并最终走向细胞衰老死亡。然而肝脏受损后,多倍体细胞将会受胁迫进行增殖,再生修复受损的肝组织。这些多倍体细胞分裂将导致三、五、七倍体等非整倍体的产生,也就是丢失匹配的染色体或染色片段,从而造成原癌基因的扩增或抑癌基因的丢失,引起基因组不稳定性和肿瘤的发生发展。因此研究机体调控多倍体细胞产生及多倍体细胞进行细胞分裂的调控机理对于理解肝癌的发病机理和肝癌的治疗至关重要。

Hippo信号通路在调节组织成体干细胞的分化和增殖,调控器官再生与尺寸大小中具有重要作用。周大旺教授团队在先前研究获得靶向Hippo信号通路核心成员MST激酶的特异性小分子抑制剂,该抑制剂可以在体内有效促进损伤组织的修复与再生,该研究成果发表在Science Translational Medicine上【1】,抑制剂专利已成功转让。另一方面,如果Hippo基因缺失则会造成组织持续性的再生,肝脏尺寸不断增大,最终导致肝细胞癌和胆管癌的产生。美国癌症基因组图谱TCGA大数据分析发现10-20%的肝癌样本中Hippo信号通路中的激酶发生缺失,10%的肝癌样本中Hippo下游的原癌基因YAP所在染色体片段发生扩增,因此该通路异常与肝癌发生密切相关。

在这项研究中,周大旺研究组通过对Hippo信号通路重要成员(WW45,Mst1/2, Lats1/2)肝脏特异性敲除和过表达Hippo信号通路下游靶基因YAP的小鼠肝细胞进行流式分析发现,在肝脏中Hippo信号通路缺失会导致多倍/异倍体细胞比例显著增加,这些细胞进一步发生不正常的分裂造成基因组不稳定性。之前细胞水平研究发现Hippo通路的Lats激酶通过稳定p53水平来抑制多倍体产生。本研究发现Hippo信号通路在肝脏中缺失,p53水平不但没有下降反而表达水平的明显上调。尽管p53大量上升,但其并不能阻断多倍体细胞产生和抑制其分裂这一现象的发生。

周大旺研究组深入研究发现, Hippo信号通路下游效应分子YAP通过AKT-Skp2信号促进二倍体细胞向多倍体转化及多倍体细胞的生长增殖。YAP可以强烈的诱导乙酰转移酶p300对E3泛素连接酶Skp2的乙酰化,后者的乙酰化形式在细胞质中定位,造成其核内底物周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白P27在核内大量累积,导致细胞有丝分裂阻滞并成为多倍体。另一方面,胞质中的Skp2大量降解促凋亡因子FoxO1/3,使多倍体细胞持续分裂,基因组不稳定,最终导致肿瘤发生(下图)。对人类肝癌样品的分析验证了以上结论,YAP的激活与Skp2乙酰化增强及FoxO1的下调有显著的相关性,并且YAP的入核与Skp2的出核也同时与肿瘤发展程度和不良预后成正相关。


工作模型示意图

本项研究阐明了Hippo缺失及YAP激活促进多倍体细胞产生及增殖作为肝癌发生发展中的一个重要机制,为肝癌诊疗提供了新的策略。

据悉,该论文的主要工作由周大旺课题组博士生张世浩、陈青花、刘清许、李玉席和孙秀峰等学生共同承担,并与中科院生化细胞所、美国爱因斯坦医学院,日本九州大学等单位合作完成,通讯作者为陈兰芬教授和周大旺教授。该研究工作获得了国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划(973)项目、青年千人计划和中央高校基本科研基金的资助。

参考文献:

1. Fan F, He Z, Kong LL, Chen Q, Yuan Q, Zhang S, Ye J, Liu H, Sun X, Geng J, Yuan L, Hong L, Xiao C, Zhang W, Sun X, Li Y, Wang P, Huang L, Wu X, Ji Z, Wu Q, Xia NS, Gray NS, Chen L, Yun CH*, Deng X*, Zhou D*. Pharmacological targeting of kinases MST1 and MST2 augments tissue repair and regeneration.Science Translational Medicine. 2016 ; 8(352):352ra108

专家点评:

雷群英 复旦大学生物医学研究院教授(“长江学者”,国家“杰青”)


Comments:多倍体肝细胞在肝脏功能中具有重要作用。二倍体-多倍体转变与肝脏生理病理活动密切相关,如肝脏解毒、肿瘤发生等。Hippo信号通路调控干细胞自我更新、组织再生和器官大小。现有证据提示Hippo通路调节细胞多倍体和染色体稳定性,但其机制并不清楚。厦门大学周大旺教授课题组系统解析了相关的调控机制并获得突破性进展,研究成果发表于最新一期的Cancer Cell杂志。他们发现Hippo信号通路的效应蛋白Yap通过Akt-Skp2轴促进二倍体多倍体转换和多倍体细胞增殖。Yap通过Akt信号通路介导泛素连接酶Skp2的乙酰化。乙酰化的Skp2定位于胞浆中,一方面引起p27的累积,导致有丝分裂阻滞和多倍体的产生;另一方面,乙酰化后的Skp引起促凋亡因子FoxO1/3过度降解,促进多倍体细胞分裂、基因组不稳定性和肿瘤发生。更为重要的是,Akt或Skp2的缺失能够抑制Hippo通路失活导致的肝肿瘤发生。这些证据强有力地说明Hippo-Yap信号通路通过Skp2抑制细胞多倍体和肿瘤形成,具有重要的理论和临床意义。

赵斌 浙江大学生命科学研究院教授(“青年千人”,国家“优青”)


Comments:周大旺教授实验室在Hippo信号通路的功能与机制上开展了系统性的研究,例如首次报道了Mst1/2肝脏特异性双敲除导致小鼠肝脏增大和肿瘤发生等。本次最新的研究从Hippo信号通路失活引起肝细胞的polyploidy出发,通过详细的生化分析,各种基因工程小鼠的杂交和表型分析给我们展示了Hippo信号通路导致肝脏肿瘤发生的新机制。文章发现Mst1/2的失活或YAP的过表达造成细胞质中Skp2泛素连接酶的大量积累和细胞核内Skp2水平的下降。进一步分析发现AKT的激活通过乙酰转移酶p300对Skp2的乙酰化在Skp2的胞质转移和积累中发挥了关键作用。而核内Skp2的下降造成p27的积累并因此导致细胞周期的阻滞和polyploidy。有意思的是胞质内积累的Skp2还通过促进FoxO的降解促进多倍体细胞的分裂。因此,可以说Skp2双管齐下,促进了异常多倍体细胞的增殖。虽然Skp2并不是YAP的靶基因,但它在YAP的下游起到了功能性的关键作用。同时,这一发现还揭示了Hippo通路与AKT通路的对话在体内的重要作用。Hippo通路的Lats失活和 YAP激活导致多倍体细胞的积累已经被报道过。本研究在肝脏的背景下在体内为这一现象提供了清晰的机制。当然,这一发现也提出了值得关注的新问题,例如YAP的激活导致非整倍体的情况如何,与肝癌的基因组不稳定性是否具有直接的联系等。

周大旺教授简介


周大旺,博士,厦门大学生命科学学院教授、副院长、国家杰出青年基金获得者。1994-98年厦门大学本科、2000-2002年美国纽约市立大学硕士、2002-2006年爱因斯坦医学院博士、2006-2009年哈佛大学医学院博士后、2009-2011年哈佛大学医学院医学系讲师;2011年获得国家首批"青年千人计划"资助、特聘为福建省“闽江学者”教授。入选科技部中青年创新领军人才;担任中国细胞生物学会发育生物学会副会长、国家千人计划生物医药专业委员会副主任和中国Hippo研究联盟的主要召集人之一。长期从事Hippo信号通路在组织再生重塑与组织稳态维持以及肿瘤、免疫疾病发生中的机制和功能研究,近五年以通讯作者在Cancer Cell、Nat Immunol、Science Transl Med、Nat Commun、Cell Rep、J Exp Med等期刊上发表11篇,子刊6篇。

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