浙大联合课题组发文Cell子刊揭示干细胞癌变机理
人体中的癌细胞是从哪里来的？这个问题，全世界每天都有数万的科学家在苦苦探寻答案，真相正在被一点一点地揭示出来。最近，浙大王英杰教授和沈炳辉教授的联合课题组在干细胞研究中发现，当两种关键蛋白质“失控”发生越位碰撞后，就会引发一系列变化，将一个正常的干细胞变成肿瘤干细胞。美国当地时间10月4日，这项揭示干细胞癌变重要机制的研究成果在生命科学领域国际顶尖杂志《Cell》子刊《Molecular Cell》（分子细胞）上在线公布。
医学界称干细胞为“万用细胞”，因为它有两大特点，即能多向分化和自我更新。“多潜能干细胞有一项‘特权’，就是它可以根据需要分化成不同类型的体细胞，源源不断地供应各种组织细胞的更替与修复。 这一特性使它被广泛地应用于再生医学。” 王英杰说，干细胞就像上帝在生物体内撒下的神奇的“永生之种”，它可以通过不对称分裂，在形成一个子代分化细胞的同时，克隆出一个和母体干细胞几乎相同的子代干细胞，确保其分化潜能的延续。干细胞的这种增殖方式被称为“自我更新”。
“然而，当‘永生之种’发生癌变的时候，问题就变得格外严重。因为坏种可以一直延续，不断扩张，并且很难清除。”王英杰说。近年来，科学家们发现，在许多肿瘤组织中，都存在极少数类似于干细胞的细胞小群体，它们有着与干细胞十分相似的特性，能自我更新，也能分化；同时，它们还有一项特殊的本领，就是“逃逸”。“我们把这种细胞，称为肿瘤干细胞。正常的干细胞，为了维持自身遗传物质等的稳定性，在遇到损伤刺激或不良条件时，会很快分化或‘自杀’，而肿瘤细胞中的这些干细胞则不然，它们不但不会“自杀”，反而会先‘躲’起来，然后再变本加厉地的进行‘繁殖’，” 王英杰说，这种现象，在一些接受放疗和化疗的肿瘤患者身上表现得十分明显。在药物作用下，往往是分化的肿瘤细胞被杀死了而肿瘤干细胞却依然活着，或者当时表现得似乎是消失了，一段时间后却又卷土重来，愈演愈烈，因为目前的放疗化疗无法从根本上“消灭”它们。 尽管肿瘤干细胞有可能从已分化的体细胞逆转而来，但目前更多的证据提示它们可能主要来源于正常干细胞的癌变。
“我们所要研究的，就是找出引起干细胞癌变的‘元凶’。” 2009年，在美国首屈一指的医学研究中心—德克萨斯大学西南医学中心做完博士后研究，又在以新药研发著称的默克制药公司担任了5年资深科学家的王英杰博士，带着一个关于肿瘤干细胞的全新的“idea”，回到母校浙江大学，在医学院附属医院开始投入研究。
揭示干细胞癌变机理
这个全新但当时却还朦胧的“idea”就是转录因子Oct4和蛋白激酶Akt之间可能有直接的联系。作为干细胞中最重要的转录因子之一，Oct4就像一个开关，调控着维持干细胞正常工作的几百个重要蛋白质的合成；而Akt作为一个蛋白激酶，通过将磷酸根基团加到靶蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基上，来激活或抑制靶蛋白的活性，它是维持肿瘤细胞生存和增殖最重要的蛋白之一，在许多类型的肿瘤中都被异常活化。“idea”源自于王英杰的合作者美国宾州大学医学院周红林教授所作的生物信息学分析：Oct4蛋白上有一个潜在的Akt磷酸化位点。王英杰回国后所做的第一个实验就是在体外生化实验中证实了Oct4的确可以被Akt磷酸化。
随后，王英杰的研究团队用胚胎干细胞和恶性畸胎瘤的干细胞—胚胎癌细胞进行了相关的检测。“选择胚胎干细胞和胚胎癌细胞作为研究对象是因为，一方面，在所有干细胞中，胚胎干细胞是分化程度最低，最具全能型的‘人才’，它可以‘制造’出身体中的任何一处组织和器官；胚胎癌细胞相当于癌变的胚胎干细胞，因此这一组合使我们可以从发育的早期阶段了解干细胞癌变的机理。” 王英杰说，“另一方面，由于肿瘤干细胞在肿瘤组织中只占极小的比例，目前缺乏有效的分离纯化手段，研究进展相对缓慢。 胚胎癌细胞建系后，可以在体外大规模和长时间培养，是研究胚胎期肿瘤干细胞的一个理想模型。” 他们的实验表明，在胚胎癌细胞中被Akt磷酸化的Oct4水平显著高于胚胎干细胞中。
一年后，生命科学学院的沈炳辉教授团队也加入了该项目，开始了“协同创新”之旅。前后经过近三年的努力探索，研究团队终于解开了Oct4和Akt在胚胎癌细胞中的互作之谜。“这两个蛋白质，在正常干细胞中只有微弱或瞬间的碰撞，”王英杰说，“但是在胚胎癌细胞中两者的相互作用就明显增强，Akt就会将磷酸根基团加到Oct4蛋白上，进而抑制它被蛋白酶体降解，增强该蛋白的稳定性。” 他们发现，添加上去的磷酸根基团作为Oct4的“助手”，能帮助Oct4更容易地定位在细胞核内，并促进它与另一干细胞转录因子Sox2形成复合物，从而更容易启动维持干细胞自我更新的相关基因的转录，增强胚胎癌细胞的自我更新能力。
“这还只是故事的前半部分，”王英杰说，“更有意思的是，我们发现Oct4可以直接结合部分Akt基因的启动子，抑制其转录。但一旦Oct4被Akt磷酸化后，就会从该启动子区域上脱离下来，从而增强Akt基因的转录。这样，在胚胎癌细胞中，Oct4和Akt间彼此结盟，形成了一个相互促进的调控机制，即‘Oct4–Akt正反馈回路系统’。” 王英杰认为这也许是肿瘤干细胞比正常干细胞具有更强的自我更新能力和抗凋亡能力的一个重要原因。
“我们找到了干细胞癌变的一种重要机制，接下来，我们要研究这种机制在肿瘤干细胞中是否存在普遍性。” 王英杰说，“如果该机制普遍存在，那么阻断‘Oct4–Akt正反馈回路系统’的治疗手段将会为清除肿瘤干细胞和癌症治疗带来重大突破。”
Reciprocal Regulation of Akt and Oct4 Promotes the Self-Renewal and Survival of Embryonal Carcinoma Cells
Yuanji Lin, Ying Yang, Weihua Li, Qi Chen, Jie Li, Xiao Pan, Lina Zhou, Changwei Liu, Chunsong Chen, Jianqin He, Hongcui Cao, Hangping Yao, Li Zheng, Xiaowei Xu, Zongping Xia, Jiangtao Ren, Lei Xiao, Lanjuan Li, Binghui Shen, Honglin Zhou, Ying-Jie Wang
Signaling via the Akt serine/threonine protein kinase plays critical roles in the self-renewal of embryonic stem cells and their malignant counterpart, embryonal carcinoma cells (ECCs). Here we show that in ECCs, Akt phosphorylated the master pluripotency factor Oct4 at threonine 235, and that the levels of phosphorylated Oct4 in ECCs correlated with resistance to apoptosis and tumorigenic potential. Phosphorylation of Oct4 increased its stability and facilitated its nuclear localization and its interaction with Sox2, which promoted the transcription of the core stemness genes POU5F1 and NANOG. Furthermore, in ECCs, unphosphorylated Oct4 bound to the AKT1 promoter and repressed its transcription. Phosphorylation of Oct4 by Akt resulted in dissociation of Oct4 from the AKT1 promoter, which activated AKT1 transcription and promoted cell survival. Therefore, a site-specific, posttranslational modification of the Oct4 protein orchestrates the regulation of its stability, subcellular localization, and transcriptional activities, which collectively promotes the survival and tumorigenicity of ECCs.
