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腎臟髓質癌的治療新展望:一窺癌症背後的分子及免疫特徵

腎臟髓質癌(renal medullary carcinoma, RMC)是一種罕見卻相當致命的惡性癌症,經常發現於具有鐮刀型紅血球疾病 ( sickle hemoglobinopathies ) 的非裔年輕人身上,此種癌症具有高度侵襲性,三年存活率不到5%。除此之外,一些經常使用於其他種腎臟細胞癌 ( renal cell carcinoma ) 病變的標靶治療對於腎臟髓質癌的效果也相當有限,使得 RMC 的問題更加棘手。為了找尋有效的腎臟髓質癌治療方式,Pavlos Msaouel的團隊展開了一連串的統整性研究,分析腎臟髓質癌病人中的基因體與轉錄體,並藉由與惡性橫紋肌樣瘤(malignant rhabdoid tumor, MRT)、非典型畸胎橫紋肌樣瘤(atypical teratoid rhabdoid tumor, ATRT)、上皮樣肉瘤(epithelioid sarcoma)和其他腎臟癌症的比對,以找出腎臟髓質癌在分子層級的特徵 [1]。

腎臟髓質癌較常見的特徵是 SMARCB1 基因的缺失,SMARCB1 是 SWI/SNF 的核心單位,並執行染色質的重塑功能 ( chromatin remodeling )。SMARCB1 的異常也與腫瘤侵襲性密切相關 [2],因此研究團隊決定先從病人取出的腎臟髓質癌細胞中的基因體 ( genome ) 分析著手。

(1) 腎臟髓質癌的基因體及染色體結構特徵
透過定序分析31個未經治療的原發性腎臟髓質癌腫瘤樣本,團隊觀察到腎臟髓質癌的單核甘酸變異(single-nucleotide variant; SNVs, 註一)與插入及刪除突變(insertion and deletion mutations; indels)的比例相當地低。此外,也觀察到腎臟髓質癌具有較低的非同義突變 ( non-synonymous mutation ) 的特性,與其他種腎細胞癌的突變模式並不相同。在拷貝數變異(copy-number alteration, CNA)方面,腎臟髓質癌與其他腎臟癌也有著不同的特性:腎臟髓質癌頻繁地發生局部性染色體擴增 ( gain ) 或刪除 ( deletion ) ,擁有非常大量的拷貝數變異,尤其是第8對染色體擴增的情形特別明顯,此區域的基因會被顯著地上調 ( up-regulated ) ( 圖一 )。

團隊發現在 SMARCB1 上結構性的改變 ( structural alteration ) 像是重複性的 ( recurrent ) 22號染色體的缺失及 22q11.23 位點的刪除,該特性比其單核苷酸變異更為常見。為了暸解背後的分子機制,團隊結合多種實驗方法分析,發現轉位(translocation)結合半合子刪除(hemizygous deletion)是造成 SMARCB1 缺失最常見的原因,此外 SMARCB1 會與另一個基因片段融合,使得最後轉譯出的 SWI/SNF 複合物蛋白失去活性。

圖一:腎臟髓質癌之突變及拷貝數分佈。(A) 不同種類腫瘤中,單位基因體的非同義突變負荷(non-synonymous mutation load),標示紅色者為腎臟髓質癌樣本,其非同義突變負荷較大部分腫瘤低。(B-C) 腎臟髓質癌腫瘤(B)及橫紋肌樣瘤(C)中,具有局部刪除(左方藍色圖)及擴增(右方紅色圖)的區域,可以發現腎臟髓質癌擁有非常大量的拷貝數變異。
圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.04.002

(2) 腎臟髓質癌的轉錄體 ( transcriptome ) 及 RNA 的其他特徵
團隊透過基因功能分類(Gene Ontology)分析發現腎臟髓質癌的拷貝數變異主要發生在組蛋白乙醯化、脂質代謝與生合成、銨離子與乙醯膽鹼反應、DNA 轉錄、細胞質分裂功能有關的基因上。此外,團隊透過分析 RNA 表現後發現其蛋白質編碼 ( protein-coding ) RNA 及長鏈非編碼RNA ( long non-coding RNA; lncRNA) 的表現是不同於其他腎細胞癌的,推測腎臟髓質癌與惡性橫紋肌樣瘤腫瘤的原發位置並不相同。在蛋白質編碼的 RNA 部分,部分與基因與複製壓力(replication stress)、發炎/免疫反應、DNA 修復、c-MYC 訊息路徑、脂肪酸合成相關的基因,其表現量比起周圍的正常腎臟組織來得高。在非編碼 RNA 方面,有五個與癌症相關的非編碼 RNA 具有上調現象 ( 圖二 )。

圖二:腎臟髓質癌與其他腎臟病變的轉譯特徵之比較。(A) 不同種腎臟病變之蛋白質編碼基因表現的階層式分群,由熱圖可發現腎臟髓質癌的基因表現最接近腎集尿管癌,且明顯不同於惡性橫紋肌樣瘤。(B) 左圖為腎元區段的示意圖,右圖顯示不同種腎臟病變的基因表達譜與不同區段腎元的基因表達譜的相關性,並發現腎臟髓質癌與腎集尿管癌的基因表現與集尿管具有高度相關性。
圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.04.002

(3) 腎臟髓質癌的免疫特徵
有鑑於基因表達分析中,腎臟髓質癌腫瘤內與發炎/免疫反應相關的基因表達量有上升的現象,促使團隊進行腎臟髓質癌腫瘤中免疫細胞浸潤現象的分析。發現腎臟髓質癌腫瘤具有大量的T細胞、胞殺性淋巴球、骨髓樹突細胞、嗜中性球、B細胞浸潤,免疫檢查點的受體也特別豐富,例如 PD-1、CTLA-4 與 LAG3。

之所以會產生這樣的現象,推測是因為在腎臟髓質癌的腫瘤中 DNA 序列的刪除或轉位,導致 DNA 結構改變 ,並造成 DNA 從細胞核內洩漏至細胞質,進而活化具 DNA 感測功能的 cGAS-STING 路徑且啟動後續的免疫反應,例如第一型干擾素 ( type I interferon, 註三 ) 的產生 [3]。在團隊的研究中,也確實發現腎臟髓質癌的腫瘤中,MB21D1基因(編碼 cGAS)與 TMEM173基因(編碼STING)表現量顯著地上升,顯示 cGAS-STING 免疫途徑在腎臟髓質癌中扮演著重要的角色。

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(4) DNA 複製壓力作為腎臟髓質癌的特徵
團隊藉由基因功能富集分析 ( gene set enrichment analysis; GSEA ) 發現:高度 DNA 複製壓力亦是腎臟髓質癌的一大特色,而此現象也與前面所述的分子機制息息相關。複製壓力是指當細胞快速增殖、分裂時,DNA 錯誤損傷的機率也會隨之增加的現象。團隊藉由基因分析並發現:腎臟髓質癌組織中關於細胞週期、DNA複製及修復的分子途徑都特別活化,其中包含 G2-M 細胞週期檢查點、c-MYC 及 E2F 目標基因、TP53、DNA 修復,而這些途徑皆與腎臟髓質癌複製壓力的特徵具有高度相關性。此外,團隊建立了可以正常表現 SMARCB1 基因的腎臟髓質癌細胞株並與無法正常表現 SMARCB1 的癌細胞比較後發現:1) c-MYC 基因表現下降、2) DNA 損傷降低、3) 複製壓力大幅下降,證實在腎臟髓質癌細胞中, SMARCB1 的缺失與癌細胞內高度的複製壓力息息相關 ( 圖三 )。

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(5) 腎臟髓質癌治療的一線曙光
由於腎臟髓質癌腫瘤具有高度複製壓力的現象,團隊認為:若可以抑制癌細胞中的 DNA 修復及細胞週期等路徑,可能可以使腎臟髓質癌細胞進行凋亡。因此,團隊選用了數種以 DNA 修復或細胞週期為標靶的藥物進行小鼠實驗。他們在小鼠皮下注射腎臟髓質癌腫瘤,觀測藥物的抗腫瘤效果。實驗結果顯示 PARP 抑制物及鉑金類化療藥物 ( platinum-based drugs ) 可以顯著地降低腎臟髓質癌腫瘤的大小,顯示癌細胞中的 DNA 修復及細胞週期是一個良好的潛在藥物標靶 ( 圖三 )。

總結來說,團隊透過定序分析與小鼠實驗等方法辨別具有腎臟髓質癌特異性的分子及免疫特徵。在分子層級,腎臟髓質癌除了有 SMARCB1 的缺失外,還具有大量異常的 DNA 結構改變,這些分子特性進而造成了高度的 DNA 複製壓力;而在免疫層面上,腎臟髓質癌具有高活性的 cGAS-STING 先天性免疫反應,而上述的特徵都將是提供治療腎臟髓質癌的重要線索。

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圖三、腎臟髓質癌之分子特徵以及其複製壓力與免疫反應的模式圖。腎臟髓質癌的SMARCB1缺失與染色體8q擴增造成MYC誘導之複製壓力,使得腎臟髓質癌對於DNA損壞物質(DNA-damaging agent)較為敏感,如鉑金類藥物、拓撲異構酶抑制物、核苷酸類似物。而複製壓力進一步引發DNA損傷的修復,也使得腎臟髓質癌對於DDR抑制劑較為敏感。此外,腎臟髓質癌之cGAS-STING傳訊機制所造成的先天性免疫反應,也會造成免疫檢查點之上調,可以作為免疫治療的標的。
圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.04.002

註一:單核苷酸變異是指在某段的 DNA 序列中,某一個核苷酸被替代所導致,與族群中的基因多樣性有重要的關聯。
註二:非同義突變是指 DNA 序列中發生單個核苷酸的插入或缺失。
註三:在宿主細胞被病毒感染時,病毒會將其遺傳物質送入宿主細胞的細胞質中,因而啟動 cGAS-STING 路徑以及第一型干擾素的產生以抵禦病毒。但在細胞因異常現象而將細胞核內的 DNA 洩漏至細胞質時,也會誘導第一型干擾素的產生。

參考文獻:
[1] Msaouel, P., Malouf, G. G., Su, X., Yao, H., Tripathi, D. N., Soeung, M., … & Tannir, N. M. (2020). Comprehensive molecular characterization identifies distinct genomic and immune hallmarks of renal medullary carcinoma. Cancer Cell, 37(5), 720-734. https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.04.002
[2] Kadoch, C., & Crabtree, G. R. (2015). Mammalian SWI/SNF chromatin remodeling complexes and cancer: Mechanistic insights gained from human genomics. Science advances, 1(5), e1500447. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500447
[3] Bakhoum, S., Ngo, B., Laughney, A. et al. Chromosomal instability drives metastasis through a cytosolic DNA response. Nature 553, 467–472 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25432

撰文|陳薏晴
審稿|蕭毅、蕭皓文

About the author

陳薏晴

陳薏晴

就讀中山醫學大學醫學系。
希望在 Investigator 接觸更多元的生醫研究主題,並認識興趣相投的朋友。

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