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針對癌細胞 DNA 受損的表觀遺傳學機制

癌症形成的原因複雜,大多都是由於基因突變使得細胞失去正常功能而轉變為癌細胞 [1],同時也和遺傳與表觀遺傳之間的交互作用相關。近年來許多針對表觀遺傳調控基因表現的藥物,在癌症治療上得到令人興奮的結果,顯示癌症表觀遺傳的發展性與重要性 [2]。

失去正常功能的細胞若無法修復 DNA 的受損,就會導致細胞變異甚至死亡。最近幾年,基於 DNA 受損的修復機制而設計出來的 PARP 抑制劑(PARPi),具有治療乳癌或卵巢癌的潛力。

PARP(poly-ADP ribose polymerase)蛋白質本身參與細胞的 DNA 修復,而 DNA 受損主要肇因於紫外光、輻射暴露,或是其他環境因子的影響。其中,PARP1 能夠修復 DNA 的單股斷裂(single-strand breaks),或以替代性非同源末端連結(alternative non-homologous end joining, ALT NHEJ)的方式修復 DNA 的雙股斷裂(double-strand breaks)。

圖一、PARPi 對 BRCA 基因變異腫瘤細胞的作用機制。PARPi 會阻止 DNA 單股斷裂的修復,造成 DNA 雙股斷裂(圖中)。BRCA 基因正常細胞(圖右下)在 DNA 雙股斷裂過多的情況會轉以同源重組的方式修復 DNA,而 BRCA 基因變異腫瘤細胞(圖右上)則無法修復,導致細胞死亡。(圖片來源:DOI: 10.1186/s13046-016-0456-2)

研究發現,乳癌細胞和白血病細胞中 PARP1 和 ALT NHEJ 的活性較高,PARP 被抑制會導致 DNA 受損並無法以 ALT NHEJ 修復,導致 DNA 斷裂過度累積,改以同源重組(homologous recombination, HR)的方式修復。BRCA 基因突變使乳癌細胞無法以同源重組修復 DNA,因此在不影響其他正常細胞的情況下,便可藉由 PARPi 選擇性地標的這些癌症細胞,使癌細胞中的 DNA 斷裂過度累積,最後死亡 [3]。

PARPi 為乳癌的治療點燃了一絲曙光,但是 BRCA1 基因突變相關的三陰性乳癌(triple-negative breast cancer, TNBC)患者使用 PARPi 的治療效果卻不如預期。這說明了單獨使用 PARPi 無法更好地發揮其優勢,事實上,目前已經有許多結合 PARPi 和化療、輻射或免疫治療等等的臨床試驗研究正在進行 [4]。

由 Rassool 和 Baylin 所領導的團隊,於 2016 年發表於 Cancer Cell 的研究,便以 PARP 和 DNA 之間的結合作為主要目的,嘗試結合使用 PARPi 以及 DNA 甲基轉移酶抑制劑(DNA methyltransferase inhibitor, DNMTi)作為治療癌症的策略 [5]。

DNA 甲基轉移酶的主要作用是將甲基加在胞嘧啶(cytidine)的五號碳上,使基因無法正常表現,造成基因靜默(gene silencing)。目前DNA甲基轉移酶抑制劑可以逆轉癌細胞異常的 DNA 甲基化,用於治療骨髓增生異常症候群(myelodysplastic syndrome, MDS)以及急性骨髓性白血病(acute myeloid leukemia, AML)。

首先,在三陰性乳癌和急性骨髓性白血病細胞中,藉由免疫共沈澱法(co-immunoprecipitation, co-IP),發現 PARP1 和 DNMT 在 DNA 受損之前會形成複合物(complex)。在給予 PARPi 和DNMTi 之後,發現抑制劑的作用在 DNA 受損位置更加明顯。

接下來,利用雷射造成細胞 DNA 受損後,將實驗分為三組:單獨給予 PARPi、單獨給予 DNMTi 以及兩者都給,觀察癌細胞能力及增生狀況,結果發現只有同時給予 PARPi 和 DNMTi 的癌細胞,在 DNA 受損情況下的增生及存活能力大幅下降。由此可知,合併使用 DNMTi,成功地強化了 PARPi 用於乳癌以及急性骨髓性白血病的效果。

圖二、結合使用 PARPi 和 DNMTi 會強化 PARPi 於癌細胞中的治療效果。使得癌細胞中累積更多雙股 DNA 斷裂(DSBs)而造成對本身毒性,以抑制癌細胞的存活。(圖片來源:doi: 10.1016/j.ccell.2016.09.002)

另外,無法修復 DNA 受損的細胞也有可能癌化。像這樣的癌細胞必須適應 DNA 受損以及後續氧化壓力(reactive oxygen species, ROS)的增加,而癌細胞如何在這樣的困境中生存呢?

表觀遺傳中,負責染色質重組的 NuRD(nucleosome remodeling and deacetylase)複合體,其主成分包含 CHD4(chromodomain helicase DNA binding protein 4)。當細胞 DNA 受損時,CHD4 會集合抑制染色質表現的蛋白(如 HDAC1 和 HDAC2)到開放的染色質(open chromatin)上,保護在修復過程中已被轉錄表現的區域。然而,CHD4 似乎也參與 CpG 島嶼(CpG island)異常甲基化,抑制抑癌基因,以維持癌細胞的生存。

基於這樣的關聯性,另一篇於 2017 年發表於 Cancer Cell 的研究,想要探討 CHD4 如何參與在癌細胞中 DNA 受損的修復過程 [6]。實驗首先使大腸癌細胞暴露在過氧化氫(hydrogen peroxide, H2O2)下,使細胞 DNA 受損產生氧化壓力,發現其受損的位置會吸引 CHD4 並集合其他 DNA 甲基轉移酶。相同地,利用雷射光造成 DNA 受損時也會觀察到同樣的情形。

由於 DNA 甲基轉移酶會造成基因靜默,這似乎透露了在 DNA 修復的過程中,某些片段的基因會被抑制,而這些不表現的基因可能與癌細胞的形成有關。將這些基因和癌症基因資料庫比對後更發現這些基因屬於抑癌基因,若正常表現能夠抑制細胞過度生長增殖,反之則會形成癌細胞。這個結果更確定了 CHD4 與癌細胞形成的關聯性。實驗也發現大腸癌細胞中有許多的 CHD4 蛋白質聚集在抑癌基因,若將大腸癌細胞中的 CHD4 基因減弱(knockdown),原本被抑制的基因會回復正常甲基化,且癌細胞的擴散會被抑制。

進一步利用 co-IP 發現會吸引 CHD4 到 DNA 受損位置的是 OGG1,其負責修復氧化壓力造成的損傷。而在 DNA 修復的過程中,上段所提及被抑制的基因若位於 OGG1 所在的位置,則會形成癌細胞。更發現這過程還會出現 8-OHdG 以及 ZMYND8 蛋白質,他們分別與氧化壓力以及 DNA 受損有關。

圖三、分別由氧化壓力受損及 DNA 雙股斷裂而誘導出的 8-OHdG 及 ZMYND8 伴隨著 OGG1 吸引 CHD4,使 CHD4 集合其他 DNA 甲基轉移酶到 DNA 受損的位置,抑制抑癌基因的表現,使細胞癌化。但研究發現,若抑制 CHD4,能夠使得基因回復正常表現並防止癌細胞的出現。(圖片來源:doi: 10.1016/j.ccell.2017.04.005)

最後,實驗觀察 CHD4 過度表現以及 CHD4 低度表現的大腸癌細胞,和正常表現的相比,CHD4 低度表現的大腸癌細胞中被抑制的基因將再度正常表現;此外,癌細胞的增生及存活能力也大幅下降。由此可知,藉由調控 CHD4 表現或能預防細胞癌化。

Feyruz V. Rassool和Stephen B. Baylin的這兩篇研究都著重於表觀遺傳調控機轉,為未來癌症治療開拓了新的選擇方向。

參考資料:

  1. 美國國家癌症研究所關於癌症遺傳學的介紹,https://www.cancer.gov/about-cancer/causes-prevention/genetics
  2. Dawson, M. A., & Kouzarides, T. (2012). Cancer epigenetics: from mechanism to therapy. Cell, 150(1), 12-27. doi:10.1016/j.cell.2012.06.013
  3. Cerrato, A., Morra, F., & Celetti, A. (2016). Use of poly ADP-ribose polymerase [PARP] inhibitors in cancer cells bearing DDR defects: The rationale for their inclusion in the clinic. Journal of Experimental & Clinical Cancer Research, 35(1). doi:10.1186/s13046-016-0456-2
  4. Drean, A., Lord, C. J., & Ashworth, A. (2016). PARP inhibitor combination therapy. Crit Rev Oncol Hematol, 108, 73-85. doi:10.1016/j.critrevonc.2016.10.010
  5. Muvarak, N. E., Chowdhury, K., Xia, L., Robert, C., Choi, E. Y., Cai, Y., . . . Rassool, F. V. (2016). Enhancing the Cytotoxic Effects of PARP Inhibitors with DNA Demethylating Agents – A Potential Therapy for Cancer. Cancer Cell, 30(4), 637-650. doi:10.1016/j.ccell.2016.09.002
  6. Xia, L., Huang, W., Bellani, M., Seidman, M. M., Wu, K., Fan, D., . . . Baylin, S. B. (2017). CHD4 Has Oncogenic Functions in Initiating and Maintaining Epigenetic Suppression of Multiple Tumor Suppressor Genes. Cancer Cell, 31(5). doi:10.1016/j.ccell.2017.04.005

撰稿|黃子瑄
審稿|蔡幸真
校訂|紀威佑

About the author

黃子瑄

黃子瑄

畢業於長庚大學生物醫學系,目前就讀陽明大學腦科學研究所碩士班,主要研究方向為探討中間神經元在腦中所扮演的角色。希望藉由Investigator了解生醫的不同領域,和志同道合的夥伴一起學習成長,讓更多人發現科學的有趣。

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