华人学者解析肿瘤形成的热点区

2016-10-18 14:08 来源: 生物通
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  尽管我们对于“正常细胞如何发展成肿瘤细胞”已经有了深入的理解,但是对于“肿瘤发生的最初步骤”还没有足够的了解,在这个过程中一些促肿瘤细胞跳出了正常组织的范围。

  现在,美国佛罗里达州立大学和日本国立遗传学研究所的研究人员,在华人学者邓武敏(音译,Wu-Min Deng)的带领下,发现了肿瘤启动以及随后的上皮细胞生长的热点区和冷点区,而这些区域在各自的细胞结构上存在着明显的差异。他们将相关研究结果发表在最近的《PLoS Biology》杂志。

  邓博士的这项研究起始于一个问题:“促进肿瘤形成的组织微环境是什么?”他在一则新闻稿中解释道,为了研究这个问题,他用果蝇(Drosophila melanogaster)作为研究对象。邓博士强调说:“果蝇和人类在癌症形成的基因和途径方面,有很多共同之处。”

  作为上皮组织中肿瘤形成的一个模型系统,邓博士的研究团队使用果蝇幼虫的翅成虫盘。成虫盘是幼虫的扁平囊样上皮组织,最终在蛹化过程中形成了具有各种外部结构的成虫表皮,如头、胸、翅膀和腿。成虫盘的一侧由一层高柱状上皮组成,这是翅芽盘(disc proper),它为成虫结构提供了上皮细胞。另一边是一层称围肢膜的鳞状上皮。总之,这两个层面将一个内腔封装在成虫盘内,具有朝向管腔的上皮细胞的顶面。

  以前的研究表明,在多个保守的肿瘤抑癌基因(nTSGs)中的任何一个当中的纯合突变——调节着基底端细胞极性和上皮组织中的细胞增殖,可引起上皮组织的破坏,和正在发育的成虫盘中细胞的过度增殖。

  当该研究小组利用RNAi敲除掉翼盘的翅芽盘中的nTSG表达时,他们发现,致瘤性增生只发生在一个特定的区域——称为背铰链,其中上皮细胞层是折叠的。这表明,成虫盘的特定区域本质上容易受到肿瘤过度生长的影响,研究人员通过在翼盘中产生小的随机的nTSG敲除细胞克隆,而证实了这一点。在成虫盘关节区中,这样的克隆发展成了清晰可识别的肿瘤,而另一个区域(翼囊)中则没有一个克隆形成肿瘤。基于这些结果,该团队将铰链区——其中突变转化细胞易于形成肿瘤,称为“肿瘤热点区”,而翼囊则被称为“肿瘤冷点区”。

  然后,作者检查了Janus激酶/信号转导子和转录激活子(JAK/STAT)信号通路在翼盘中的特定激活模式,后者参与了多种人类癌症和果蝇肿瘤,并已被证明在铰链区是活跃的。通过JAK/STAT的一个报告基因,他们发现,JAK/STAT通路在与肿瘤热点区域相一致的野生型成虫盘区域中是活跃的,在背铰链区中是最强的,而在翼囊——肿瘤冷点区中,则没有活性。

  这一结果表明,在翅成虫盘细胞中的JAK/STAT激活,和nTSG敲除导致的肿瘤发生之间,存在一种密切的相关性。当研究人员抑制nTSG敲除细胞中的JAK/STAT信号转导时,这阻止了翼盘中的肿瘤生长,而在肿瘤热点的nTSG敲除细胞中的STAT过度激活,则大大增加了肿瘤的大小。然而,研究人员在仅仅STAT过度活化的正常翼盘细胞克隆中,并未观察到肿瘤的发生,肿瘤冷点区不能转换为热点区,因为STAT在冷点区的nTSG敲除细胞中的过度活化并不会导致肿瘤。因此,虽然JAK/STAT活性是nTSG敲除细胞发生所必需的,但它是不充分的。

  肿瘤的热点区和冷点区之间的一个区别在于,铰链区的柱状上皮细胞明显短于翼囊区的细胞。对细胞的结构进行仔细对比发现,与冷点区上皮细胞基底侧相比,热点区上皮细胞的基底侧有更强劲的组织膜和细胞外基质,从而表明促肿瘤细胞不能从肿瘤热点区的基底侧剥离出来。

  事实上,三维共焦成像表明,在翼囊中经历细胞凋亡的nTSG敲除细胞,被从上皮细胞的基底侧挤压出来,在铰链区中的相同细胞,在基底侧被发现,但没有从那里挤压出来。相反,研究人员观察到,一些幸存的促肿瘤细胞从热点区顶部分层,然后,这些细胞似乎在顶面分化为肿瘤的肿块。相反,研究人员在冷点区没有看到细胞的顶端分层。

  因为JAK/STAT活性在背部铰链热点区最高,果蝇JAK/STAT配体Unpaired是从上皮细胞的顶端表面分泌的,因此,背侧铰链热点区的促肿瘤细胞的顶端分层,可能使其暴露于高水平的JAK/STAT信号,从而使它们能够生存和增殖。为了检验这一假设,该研究小组通过敲除鸟嘌呤核苷酸交换因子RhoGEF2(其诱导肿瘤冷点区域中相同的基底结构),诱导肿瘤冷点区中的细胞顶端分层。从肿瘤冷点区顶侧挤压出来的RhoGEF2/nTSG双敲除细胞,没有发展成肿瘤;然而,当STAT活性也被异位激活时,肿瘤就从这些细胞发展而来。

  邓博士和他的小组现在希望弄清:上皮细胞内固有的肿瘤热点区的相同机制,是否也可能发生在哺乳动物的肿瘤形成过程中。他说:“如果我们知道是什么内在因素导致了肿瘤的形成,我们就可以利用它,并了解更多。我们知道的越多,我们就越能着手治疗和预防癌症。”