細胞凋亡 ( Apoptosis ) 是一種程序性的死亡機制，以因應個體在發育中去除多餘或不需要的細胞，同時也可攔截在環境壓力下受損的細胞。在詳細的分子機制中，一系列凋亡蛋白酶 ( Caspase ) 的催化能促使細胞凋亡；然而隨著對凋亡蛋白酶的深入研究，也發現凋亡蛋白酶除了造成細胞凋亡外的其它功能，包括：維持 T 細胞數量、促進組織與神經發育、甚至是協助癌細胞增生，因此凋亡蛋白酶的異常表現已被廣泛證實可以導致許多疾病的發生 [1]。本篇介紹的研究以此基礎出發，探討凋亡蛋白酶與癌症的關係。
團隊將研究分成四大部分。
一、凋亡蛋白酶8在癌細胞與正常細胞中的表現量差異
團隊首先以數據分析和實驗比較多種癌症細胞與正常細胞間4種凋亡因子的表現量，最後聚焦在癌細胞內的凋亡蛋白酶8，因其較正常細胞多，且表現量常跟癌症復發及預後不佳有正相關 [2]。 團隊發現：若降低癌細胞核內的凋亡蛋白酶8表現量，不但使可以正向調控細胞凋亡的 p53 蛋白表現量上升，也增加了癌細胞凋亡的比例，團隊更發現，癌細胞若同時處以紫外線並造成DNA損傷時，癌細胞凋亡比率會更高，證實凋亡蛋白酶8在癌細胞面對DNA損傷的情況下至關重要。
由於 p53 蛋白具有在 G2/M 細胞週檢 ( G2/M checkpoint; 註一 ) 時修復 DNA 損傷 ( DNA damage ) 及促進內源性細胞凋亡 ( Intrinsic apoptosis ) 的功能，代表 p53 蛋白可能在凋亡蛋白酶8誘導的癌細胞增生中扮演重要角色。因此研究團隊提出主要假設：細胞核內的凋亡蛋白酶8可能造成 p53 蛋白失去活性，導致癌細胞克服 G2/M 檢查點並得以進行不正常的細胞分裂 ( Mitosis )。
二、凋亡蛋白酶8的缺失對於癌細胞中細胞週期的影響
基於上述假設，團隊首先將剔除凋亡蛋白酶8基因的癌細胞與普通癌細胞比較，發現缺少凋亡蛋白酶8的癌細胞在生長中停留於 S/G2/M 期 ( 細胞週期各階段功能請見圖一 ) 的時間較長，並多在 G2/M 期時發生凋亡；另外於分子層面，缺少凋亡蛋白酶8的細胞表現較少的可以影響週期蛋白活性的酵素與輔因子 ( Co-factors )，以及觀察到這細胞有完的染色體濃縮 ( Chromatin condensation ) 現象等，這些因素會導致細胞無法進行細胞分裂並凋亡。至此團隊已證實：癌細胞需要凋亡蛋白酶8，才能克服 G2/M 細胞週期檢查點並進行細胞分裂。
圖一：細胞週期的各階段。G1期是細胞合成分裂所需營養物的細胞生長期；S期時細胞進行DNA複製並合成新股DNA；G2期在DNA合成與有絲分裂之間，此時的細胞會形成分裂所需的蛋白質並準備細胞分裂；M期為細胞進行細胞分裂的時期。
圖片來源：By Simon Caulton (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
三、凋亡蛋白酶8調控癌細胞中 G2/M 細胞週期檢查點的分子機制
團隊接著探討凋亡蛋白酶8與調控 G2/M 檢查點的 p53 蛋白之間的分子機制，並將目標著眼於可以調控 p53 表現的兩個蛋白：(1) 具 E3 泛素連接酶 ( E3 ubiquitin ligase ) 功能的 MDM2 以及 (2) 具去泛素化蛋白酶 ( De-ubiquitinase; 註二 ) 功能的 USP28。結果顯示在凋亡蛋白酶8正常表現時，去泛素化蛋白酶 USP28 表現量下降並產生蛋白質的斷片，同時也產生較多的泛素化 p53 蛋白。
四、癌細胞核內的凋亡蛋白酶8增加癌細胞對基因毒性壓力 ( Genotoxic stress ) 的抗性
最後，團隊為了確認凋亡蛋白酶8的表現量跟癌症復發及抵抗基因毒性的相關性，團隊從臨床患者身上提取黑色素瘤細胞，以抗癌藥物及外光等方式測對基毒性的抗性，結果顯示當癌細胞核內表現較高的凋亡蛋白酶8時，細胞抵抗基因毒性的能力較高且不易引起凋亡。
團隊綜合實驗結果推論：癌細胞核內的凋亡蛋白酶8藉由切割去泛素化蛋白酶 USP28，造成泛素化的p53蛋白被細胞移除，最終導致癌細胞能克服以 p53 蛋白調控的 G2/M 細胞檢查點，得以進行不正常的細胞分裂 ( 圖二 )。回到臨床治療上，已發現多種癌症中凋亡蛋白酶8的表現量出現異常，如果治療時施加特定抑制劑，或許能成功降低癌症復發的風險。因此剖析單一種凋亡蛋白酶的非典型功能是目前癌症研究的一大重點，闡明癌細胞分化與凋亡分子機制也將為化療抗性與癌症復發提供新的治療線索。
圖二：當投以化療藥物時，癌細胞核中表現較高凋亡蛋白酶8的細胞容易存活，並造成癌症復發；分子機制上，凋亡蛋白酶主要透過切割去泛素化酶 USP28，減少p53 蛋白的活性而使 G2/M 細胞週期檢查點無法執行正常功能，導致細胞持續進行不正常的分裂。
圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.12.023
註一：G2/M 細胞週期檢查點是在細胞週期中，進行細胞複製前的準備工作，會由週期蛋白主導蛋白質複合體進行基因組的確認，若發現基因損傷就會停止分裂並進行修復或凋亡。
註二：de-ubiquitinase 的功能是將標記在蛋白質上的泛素去除，並穩定蛋白的表現；在泛素系統中，當蛋白質被標記上泛素，就會被細胞分解為胺基酸後重複利用。
參考文獻：
[1] Shalini, S., Dorstyn, L., Dawar, S., and Kumar, S. (2015). Old, new and emerging functions of caspases. Cell Death Differ. 22, 526–539. https://doi.org/10.1038/cdd.2014.216
[2] Müller, I., Strozyk, E., Schindler, S., Beissert, S., Oo, H., Z., Sauter, T., Lucarelli, P., Raeth, S., Hausser, A., Nakouzi, N., A., Fazli, L., Gleave, M., E., Liu, H., Simon H., U., Walczak, H., Green, D., R., Bartek, J., Daugaard, M., and Kulms, D. (2020). Cancer Cells Employ Nuclear Caspase-8 to overcome the p53-Dependent G2/M Checkpoint through Cleavage of USP28. Molecular Cell. 77(5):970-984.e7. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.12.023
撰文｜張譽
審稿｜蕭皓文
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