中研院-挑戰卓越系列

癌細胞先天免疫失能-免疫療法攻其不備

撰文/中央研究院

中研院-挑戰卓越系列

癌細胞先天免疫失能-免疫療法攻其不備

撰文/中央研究院

(▲利用螢光原位雜合技術檢測細胞中端粒DNA(粉色)所在位置,可看到人類纖維母細胞WI38 的端粒DNA 位於細胞核(藍色區域),但在WI38 的ALT 細胞突變株WI38-VA13 及骨癌細胞株U2OS、Saos2中,則可見染色體外端粒DNA(ECTR)游離到細胞質(箭頭所指);陳律佑認為,這些ECTR 在ALT 癌細胞中可能具有某種未知功能。虛線代表細胞膜。)


細胞不正常增生是癌症發展的重要特性,所謂知敵方能克敵,了解癌細胞得以不斷增生且維持不朽(immortalization)的機制,便有機會從根本上治療癌症。從基礎研究出發,中央研究院分子生物研究所陳律佑助研究員的團隊著眼於臺灣醫學界向來陌生的染色體端粒(telomere),一步步揭開了端粒與老化、退化性疾病以至癌症的關係,2017 年11 月發表在《自然.結構與分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊的研究更指引了一條對抗兒童腦瘤、軟組織瘤及骨癌等癌症的明路。


端粒是位於染色體末端的重複DNA 序列,與細胞生長密切相關。一般來說,細胞經過多次分裂,端粒隨著染色體複製會逐漸縮短,一旦端粒喪失,便會使染色體DNA 降解並導致細胞生長停滯、步入老化,這是所有體細胞的宿命。然而幹細胞和生殖細胞自有一套方法來維護端粒:藉由高度表達端粒酶(telomerase)延長端粒長度,減緩細胞老化速率。而這也是大部分癌症發展的機制;80~90% 的腫瘤因為基因突變使得端粒酶再活化,癌細胞得以青春常駐。


但一部分腫瘤其癌細胞則不具有端粒酶,這類癌細胞另闢蹊徑,利用DNA 同源重組(homologous recombination)機制來延長端粒, 稱之為替代性延長端粒(alternative lengthening of telomeres, ALT)癌細胞,主要出現於神經幹細胞及間質幹細胞為來源的癌症,前者常發展為兒童腦瘤、後者則有軟組織瘤和原發性骨癌,但在其他腫瘤中相當少見。透過DNA重組方式合成的端粒容易變得很長,也較不穩定,易斷裂形成長條狀或環狀DNA,即染色體外端粒DNA(extrachromosomal telomere repeat, ECTR)。臨床研究上向來把ECTR 當做辨識ALT 癌細胞的生物標記,但對於其在ALT癌細胞發展過程扮演的角色幾乎一無所知,而這正是陳律佑團隊想要回答的問題。


免疫系統的漏洞


陳律佑觀察到,ECTR 形成後會透過某種方式自行轉移至核外,游離在細胞質中。已知病毒感染細胞時會釋出RNA或DNA 等物質,當細胞中的模式辨認受體辨識到這些異常分子,便會誘導細胞產生先天免疫反應,活化第一型干擾素即刻阻斷病毒複製並將之清除。理論上,游離在外的ECTR應該也能引發ALT 癌細胞的免疫反應而被一一消滅,卻仍安然「逍遙法外」,原因何在?


於是,陳律佑團隊的研究人員展開了一場辦案緝凶任務。首先是要確認ECTR 在正常細胞中會引發先天免疫反應;他們以人為方式誘導人類纖維母細胞累積ECTR,發現游離在細胞質中的ECTR DNA 會活化細胞內負責偵測游離DNA 的機制「cGAS-STING 蛋白感知路徑」,促使蛋白激酶TBK1 把干擾素轉錄調控因子(IRF3)磷酸化,進而誘導第一型干擾素的合成。反之,在ALT 癌細胞株中,即使存在大量內源性ECTR,第一型干擾素的表現量卻很低,意味上述的DNA 感知路徑在某個環節受到中斷。研究人員進一步抽絲剝繭,發現IRF3 未被磷酸化,表示問題很可能就是出在cGAS-STING 蛋白。一經檢測,發現ALT 癌細胞株中幾乎沒有STING 蛋白的表現,兇手呼之欲出。


為確立因果關係,研究人員讓STING 蛋白在ALT 癌細胞株中正常表現,卻發現先天免疫反應並未就此啟動,顯然還有其他共犯隱藏於後。他們鎖定的頭號嫌犯是組蛋白H3.3與染色質重塑複合體ATRX/Daxx;過去研究已發現ALT 癌細胞容易有ATRX/Daxx 和H3.3 的基因突變,也知道這些蛋白的功能與端粒維護相關,且協助細胞抑制病毒感染。當研究人員使ATRX、Daxx 和H3.3 任一種蛋白在人類纖維母細胞中不表現,發現ECTR 產生更多,確信這些蛋白對穩定端粒結構的重要性,但令他們意外的是,這同時也導致了第一型干擾素反應受到抑制,因而確認ATRX/Daxx 和H3.3 也具有協同活化cGAS-STING 感知路徑的功能。


基礎研究連結臨床醫學


至此,對於ALT 癌細胞如何規避免疫系統而得以發展為癌症,算是有了較完整的了解。不過還有一些問題尚待釐清,尤其是ECTR 的功能。陳律佑曾偶然發現,實驗室裡培養的ALT 癌細胞株比同時間培養的其他細胞株在養分稀少的情況下更容易存活,暗示ALT 癌細胞可能具有不同的代謝型態,例如透過細胞自噬(autophagy)機制把ECTR 回收做為能量來源,而這可能也是ALT癌細胞增生情形顯著、較為惡性的原因之一。此外,目前觀察到ECTR 在正常生理狀況下也可能產生,例如T 細胞在免疫反應下活化增生,此時端粒酶有再表達的情形,但幾天後端粒酶活性下降,端粒長度也跟著變短,便是形成ECTR。因此陳律佑認為,「ECTR 在癌細胞或是正常生理功能下,可能都扮演著我們未曾注意和了解到的角色。」


對這些問題的無窮好奇,是推動基礎研究的重要力量。而許多意想不到的發現,都可能成為臨床應用上的契機。以此研究為例,ALT 癌細胞先天免疫機制的缺陷,恰可做為免疫療法標的,利用溶瘤病毒(oncolytic virus)以毒攻毒。陳律佑表示,其合作研究者、澳洲兒童癌症醫學中心主任雷德爾(Roger Reddel)正著手探討溶瘤病毒對ALT 癌細胞的治療效果,目前數據顯示確有良好成效。


近幾年,陳律佑團隊也跨出實驗室、積極與其他機構合作,例如與中山醫學院合作了解癌症分佈和端粒長度與地區性環境污染因子的關聯,也分別與和信醫院、高雄長庚醫院協力研究端粒相關疾病。從這些經驗,陳律佑看到了個人化精準醫療的發展潛力,但也觀察到更多關於端粒的問題並啟發了新的研究方向,他將帶著這些問題回到實驗室繼續埋首尋找答案。




《科學人》雜誌的延伸閱讀:


Extrachromosomal telomere repeat DNA is linked to ALT development via cGAS-STING DNA sensing pathway. Yi-An Chen et al. in Nature Structural & Molecular Biology, Vol. 24, pages 1124–1131; November 6, 2017.


〈端粒研究剛開端〉科學人2011年11月


【研究者簡介】



陳律佑
中央研究院分子生物研究所助研究員,近年研究主要聚焦於端粒DNA 新功能,包括活化先天免疫反應及影響癌症生成。



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