《科学》:癌细胞“自毁”DNA以求生存

来源：奇点蛋糕2022-05-07 1:29

本研究发现并证实了肿瘤细胞在放疗后的一种独特的自救模式。

放射治疗是最广泛使用的基因毒性癌症疗法。辐射的能量可引起细胞内DNA损伤，包括DNA双链断裂(DSB)、单链断裂(SSB)和链间交联，从而阻断DNA复制和转录，导致细胞死亡[1]。

由于G1/S检查点关键调控因子p53的存在，正常细胞在DNA损伤后会停滞在G1期(DNA合成前期)，不会进入S期(DNA合成期)，启动DNA损伤修复机制。然而，在肿瘤细胞中，G1/S检查点调节因子往往无法发挥作用，这使得肿瘤细胞容易进入S期。因此，放疗引起的DNA损伤对肿瘤细胞来说是致命的毒药[2]。

然而，在临床上，许多肿瘤对放疗不敏感。因此，狡猾的肿瘤细胞必须进入DNA合成期(S)和有丝分裂期(M)之前(即G2期)，找到保命的办法。

近日，丹麦哥本哈根大学Claus S. S rensen教授领导的团队在《科学》杂志上发表了重磅研究成果，帮助我们解开了谜团。

他们发现，在DNA受到辐射损伤后，肿瘤细胞会向DNA损伤位点募集一种核酸酶(CAD)，在特定位点主动切断自身的DNA，并阻止复制和分裂，使肿瘤细胞停滞在G2期(DNA合成的后期)，从而为修复放疗造成的DNA损伤赢得宝贵的时间[3]。

这一颠覆性的研究证实了肿瘤细胞在放射性DNA损伤的压力下具有自救方式，为提高放疗效果提供了新的思路和靶点。

报纸首页截图

其实十几年前就有科学家发现，接受放疗后，除了第一波DNA损伤外，细胞内还有第二波DNA损伤[4]，而这一波延迟性DNA损伤的原因一直不是很清楚。

为了寻找放疗后DNA损伤诱导的G2/M检查点调控因子，研究人员通过高通量siRNA筛选了肿瘤细胞中已知的人类核酸酶文库。选择的第一个因子是RBBP8，一个已知的G2/M检查点因子。

出乎意料的是，第二个因素是CAD(CAD是一种参与细胞凋亡过程中DNA断裂的核酸酶，作为caspase信号级联的效应子)，这是一种以前认为与DNA损伤反应或细胞周期检查点调控无关的因素。

高通量siRNA筛选肿瘤细胞中已知的人核酸酶文库

CAD的出现引起了Serensen及其同事的注意，他们推测核酸酶CAD可能是放疗后延迟DNA损伤背后的主谋，它可以通过某种机制充当DNA损伤诱导的G2/M检查点调节因子。

为了验证这一点，研究人员对野生型和CAD-KO人类细胞HCT116进行辐射，发现在辐射后的早期(10min-6h)，野生型和CAD-KO细胞的DNA损伤是相似的，但在24小时后，野生型细胞的DNA损伤远远高于CAD-KO细胞。这表明放疗后迟发性DNA损伤可能是由CAD介导的。

照射24小时后，野生型细胞的DNA损伤远远高于CAD-KO细胞。

研究表明，细胞中CAD的激活通常由caspase-3介导，caspase-3将CAD与ICAD(CAD抑制蛋白)分离，使CAD二聚化，然后切割DNA。

然而，研究人员没有观察到放疗后胱天蛋白酶-3激活和ICAD蛋白水解的证据。此外，泛素-半胱天冬酶抑制剂不能抑制延迟的DNA损伤。这表明放疗后CAD的激活方式不是依赖于caspase-3的经典方式。

S . rensen的团队通过研究发现，CAD和ICAD都是在DNA损伤反应的介导下被募集到DNA断裂的区域。然而，ATM和ATR激酶(介导DNA损伤反应)的抑制或缺失可以限制CAD/ICAD的募集，并减少DNA断裂。

通过蛋白质序列分析，研究人员发现ICAD上有两个高度保守的位点(Ser107和Ser257)可以被ATM/ATR磷酸化。通过设计针对Ser107和Ser257的ICAD磷酸化特异性抗体，验证了这两个位点在细胞受到辐射后被广泛磷酸化，磷酸化程度依赖于ATM和ATR激酶的活性。

ICAD上有两个高度保守的位点(Ser107和Ser257)可以被ATM/ATR磷酸化。

然后，研究人员设计了相应位点不能磷酸化的ICAD丝氨酸-丙氨酸突变细胞(S107A和S257A)来研究ICAD的磷酸化功能。突变细胞经放射性照射后，突变ICAD不能稳定地募集到DNA损伤区。

上述结果表明，ICAD的ATR/ATM依赖性磷酸化是CAD/ICAD募集到DNA损伤区域的关键。

但问题是，当CAD与ICAD结合后，其功能受到抑制。怎么会导致DNA断裂？

事实证明，当CAD与ICAD结合时，发挥DNA酶作用的结构域仍然暴露在外。正常情况下，CAD/ICAD二聚体不会聚集在DNA区域，但当受到辐射时，DNA损伤反应磷酸化ICAD，将CAD/ICAD招募到DNA损伤区域，并介导DNA断裂。

DNA损伤后，CAD/ICAD被募集到损伤的DNA区域，介导DNA断裂。

Claus S. S rensen教授团队通过进一步研究发现，CAD介导的DNA断裂是在特定位点(染色质修饰的CCCTC结合因子位点附近)进行的，而不是随机分布在基因组中。这也从侧面反映出这种自发的DNA断裂是肿瘤细胞有预谋的。

受损DNA位于特定位点(靠近染色质修饰的CCCTC结合因子位点)

然后，研究人员探索了CAD如何使肿瘤细胞停滞在G2期而不是M期。他们发现，CAD介导的DNA片段化后，细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶CDK1的抑制性磷酸化(Tyr15)下降，激活的检查点因子CHK2下降，导致细胞停滞在G2期。

而CAD对正常细胞的G2/M期无明显影响，因为正常细胞具有正常的p53和pRB通路，即完善的G1/S检查点，从而减少了对G2/M检查点的依赖。

最后，研究人员通过使用人类肿瘤异种移植小鼠模型，在体内评估了CAD在放疗中的功能。与细胞中的研究一致，与CAD野生型肿瘤相比，CAD功能障碍性肿瘤对放疗更敏感。

与CAD野生型肿瘤相比，CAD功能缺陷型肿瘤对放疗更敏感。

总的来说，本研究发现并证实了肿瘤细胞在放疗后的一种独特的自救模式。放疗引起DNA损伤后，肿瘤细胞中的CAD/ICAD在DNA损伤反应的介导下被募集到DNA损伤区，导致基因组中特定位点的DNA断裂。

机构示意图

虽然DNA断裂通常对细胞来说是个坏消息，但肿瘤细胞可能正在自行制造一些简单易修复的DNA损伤，使分裂旺盛的肿瘤细胞停滞在G2期，从而获得足够的时间修复放疗造成的DNA损伤。可能这就是所谓的大局吧。

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