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第三屆唐獎系列報導—蛋白激酶C角色之謎

蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC) 為一與細胞生長息息相關的因子,其主宰了細胞生長、凋亡與遷徙,解構其餘細胞中的傳訊位置,發現其樞紐的定位造就了它多樣且重要的功能。在細胞的訊息傳遞中,外來的激素、生長因子,與神經傳導物質連結細胞膜上的受體後,細胞膜之磷脂質 C (phospholipase C) 分解細胞膜上的磷脂激醇 (phosphatidyl inositol) 並產生第二傳訊分子,進而活化蛋白激酶 C。

除了正常細胞生理外,促進腫瘤生長的佛波醇酯 (phorbol ester) 亦會活化蛋白激酶 C,而突變後的蛋白激酶 C 由為甚者。是故長久以來 PKC 被認為癌症促進因子,亦衍伸出數十年來眾多專注於蛋白激酶 C 抑制劑的癌症臨床試驗,然而幾乎所有的研究以失敗收場 [1]。正當癌症治療陷入膠著時,加州大學聖地牙哥分校 Alexandra Newton 博士領導的研究團隊提出打破這個根深柢固的教條,提出蛋白激酶 C 並非癌症促進因子,而是抑制因子,並將研究發表於 2015 年 1 月的 Cell 期刊 [2]。

蛋白激酶 C 由四大區域構成:能與佛波醇酯結合的 C1、與鈣離子結合的 C2、ATP 結合區,與受質結合區,不同結合區的組合形塑出九種不同的 PKC 異構物,而截至 2014 年,已發現 554 種 PKC 異構物突變,而該團隊選了其中 46 種 PKC 異構物突變,並比較突變前後,與不同突變間蛋白激酶 C 的活性變化。選擇的突變位置廣泛分布於 C1、C2、ATP 結合區,與受質結合區,且不同的突變與不同的癌症生成有對應關係(如:PKCα 的 W58L 突變位於 C1 上,與頭頸癌相關;PKCγ 的 F362L 位於 ATP 結合區上,與子宮內膜癌相關),但實驗結果皆指向類似的結果,引發癌症的 PKC 異構物突變後的活性降低或持平,大為牴觸原本突變後的 PKC 為腫瘤促進因子的中心教條:若突變後 PKC 為癌症促進因子,則其活性應為增強,而非實驗所觀察到的降低或持平。

研究團隊進一步觀察腫瘤細胞生長的狀況,首先利用 CRISPR/Cas9 系統修補位於 DLD1 大腸癌細胞的其中一個序列的 PKCβA509T 突變位點,形成具有 PKCβA509T 的異形合子 (heterozygous),並觀察癌細胞變形  (transformation) 的重要特徵:非貼附性生長 (anchorage-independent growth)。相較於經過修補前的大腸癌細胞,修補後的細胞其蛋白激酶表現量下降,而非貼附性生長的現象下降,顯示具有較佳的抑制癌細胞生長能力。

在細胞層面獲得證實後,作者將修補前後的 DLD1 大腸癌細胞注入小鼠皮膚上,觀察腫瘤生長大小,發現注入「修補前」的大腸癌細胞,小鼠形成的腫瘤較大。以上三個階段,從突變後的 PKC 活性較低,突變之癌細胞生長能力較高,動物實驗上形成的腫瘤較大,循序漸進證明 PKC 為腫瘤抑制因子。

在推翻了數十年來的中心教條後,以 PKC 為主角的臨床試驗卻仍未露出曙光,原因在於在不同癌症細胞中 PKC 表現出的特性不盡相同,有些癌細胞中的 PKC 活性低,符合 2015 年 Alexandra Newton 博士研究的想法,為腫瘤抑制因子;有些癌細胞中的 PKC 活性高,與先前的想法 (腫瘤促進因子) 較為相符 。以至於直至 2017 年 PKC 的角色仍未有定論 [3],是故未來仍需更多相關研究輔助,才能解開角色定論之謎。

圖片來源:
Antal, C. E., Hudson, A. M., Kang, E., Zanca, C., Wirth, C., Stephenson, N. L., … & Hunter,T. (2015). Cancer-associated protein kinase C mutations reveal kinase’s role as tumor suppressor. Cell, 160(3), 489-502. https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.01.001

參考文獻:

  1. Mochly-Rosen, D., Das, K., & Grimes, K. V. (2012). Protein kinase C, an elusive therapeutic target?. Nature reviews Drug discovery, 11(12), 937. https://doi.org/10.1038/nrd3871
  2. Antal, C. E., Hudson, A. M., Kang, E., Zanca, C., Wirth, C., Stephenson, N. L., … & Hunter, T. (2015). Cancer-associated protein kinase C mutations reveal kinase’s role as tumor suppressor. Cell, 160(3), 489-502. https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.01.001
  3. Cooke, M., Magimaidas, A., Casado‐Medrano, V., & Kazanietz, M. G. (2017). Protein kinase C in cancer: The top five unanswered questions. Molecular carcinogenesis, 56(6), 1531-1542. https://doi.org/10.1002/mc.22617

撰文│ 張彥安
審稿│ 謝典戰

About the author

張彥安

國立陽明大學醫學系醫學系醫師科學家學程學生,目前在台北榮總實習。曾於Duke University計仁昌老師實驗室進行短期癌症生物學研究;生化所進行亨丁頓氏症相關分子生物學研究;參加2014國際合成生物學競賽(iGEM)。希望藉由Investigator了解更多不同面向的科學研究主題,並認識對生物醫學充滿熱情的同好。

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