肿瘤沉默TGF-β信号的全新分子机制

来源：求是风采

项目简介

TGF-β信号是抑制细胞增殖的主要机制，肿瘤细胞经常通过基因突变使得TGF-β信号失活，从而无限增殖。本项目揭示了ALK阳性肿瘤中，肿瘤细胞未发生TGF-β信号相关基因突变却能逃逸TGF-β信号的全新分子机制，也为ALK靶向治疗提供了新思路。

 Transforming growth factor-beta (TGF-β) inhibits the growth of most epithelial cells. Genetic mutations in the TGF-β signaling pathway result in the abrogation of TGF-β signaling, thereby leading to uncontrolled proliferation of tumor cells in gastrointestinal and pancreatic cancers. This project uncovers a novel mechanism of TGF-β resistance in ALK-positive tumors without genetic mutations in the TGF-β signaling pathway and also gains new insights into targeted therapy against ALK-positive tumors.

研究团队

 该项工作由生命科学研究院冯新华团队完成，原博士生张倩婷为论文的第一作者，经过海外博后训练后，现已引进回到海宁国际校区担任独立PI。冯新华为通讯作者，设计和指导了该项工作。冯新华长期从事细胞信号转导研究，是TGF-β信号转导领域的国际权威。研究成果包括肿瘤调控关键分子SMAD、PPM1A等的发现，在《细胞》、《自然》、《美国科学院院报》等发表论文150多篇，并多次组织与主持重大国际会议和报告。获得过国家特聘专家、省特级专家等荣誉，以及美国Keck十大杰出青年学者奖、白血病与淋巴瘤协会学者奖、美国癌症协会研究学者奖和美国科学促进会会士等国际性荣誉。

除了上述工作，冯新华团队2019年还在EMBO Journal上发表文章，揭示了人肝内胆管癌中磷酸酶PTPN3通过发生突变逃逸TGF-β肿瘤抑制的机制。经过多年的积累，该团队在多种癌症中的相关研究工作也将陆续发表，将为肿瘤沉默TGF-β信号的机制绘制更详尽的图谱。

科学解读

图1. 在人类淋巴瘤样本中Smad4的Tyr95位点磷酸化的水平

与ALK的表达量呈正相关

 肿瘤细胞中存在一条古老的信号通路——转化生长因子TGF-β信号通路，它早期抑制癌细胞的生长，晚期促进癌细胞的转移。因此，在癌症的不同阶段，TGF-β信号失活将会将癌症引向截然不同的结果。浙江大学生命科学研究院冯新华实验室最新发现，一种叫ALK的激酶能够通过“改造”TGF-β信号下游的蛋白而导致其信号失活。这是否意味着，现有抗癌药物使用时有可能存在促进癌症转移的风险？

 1月21日在Nature Cell Biology (自然•细胞生物学)在线发表的论文ALK phosphorylates SMAD4 on tyrosine to disable TGF-βtumor suppressor functions中，研究团队揭示了这种全新的细胞调控机制，并针对这一现象讨论了癌症治疗的新策略。

SMAD4与TGF-β信号失活

从果蝇到人类，从正常细胞到癌症细胞，绝大多数细胞都会分泌转化生长因子TGF-β，它经过细胞膜表面特定的受体进入细胞，通过一连串效应分子的作用，调控着细胞的生老病死。在癌症细胞中，这条信号通路却是个特别的“两面派”：早期，它是具有抑癌作用的“天使”，而晚期则被证明是能促进癌症转移的“魔鬼”。

 自上世纪80年代，TGF-β基因首次被克隆并在大肠杆菌中表达以来，一系列围绕TGF-β信号通路的研究随之展开，SMAD是科学家在这条通路上找到的蛋白家族，其中SMAD4是这个家族的重要成员之一。在SMAD4和同伴蛋白的共同作用下，TGF-β功能才能发挥。

在胰腺癌和消化道癌细胞中，SMAD4发生了高频率的缺失和突变。但是，还有很大一部分其它组织的癌症细胞里，其SMAD4基因并没有发生变异或缺失，TGF-β信号为什么也失活了呢？课题组发现，在淋巴瘤、肺癌、神经母细胞瘤等肿瘤中，SMAD4被“改造”了，在一个酪氨酸位点上被磷酸化修饰。就像一个分子开关被“关上”了，导致SMAD4无法介导TGF-β信号。

图2. ALK阳性肿瘤中Smad4酪氨酸磷酸化在

TGF-β信号转导中的作用示意图

半路杀出个“ALK”

正常的SMAD4能结合细胞核内的DNA，介导TGF-β信号下游的基因表达。但在部分肿瘤细胞中，SMAD4分子结构上的第95位酪氨酸被磷酸化修饰了。磷酸化修饰导致SMAD4不能与DNA结合，这就导致了信号“断路”。课题组发现，间变性淋巴瘤激酶（ALK）发起了这项“改造”。激酶，是细胞一种具有催化效应的蛋白。该研究首次揭示了ALK阳性肿瘤中SMAD4存在酪氨酸磷酸化修饰，这种修饰导致TGF-β信号通路的功能丧失。在癌症的早期，TGF-β信号本来是抑制肿瘤生长的‘刹车’，ALK则能把这个‘刹车’关闭。

长期以来，TGF-β研究领域均未发现SMAD家族蛋白存在酪氨酸位点的磷酸化修饰，该研究为TGF-β信号的调控提出了一种新机制。

抗癌还是促癌？

许多癌症如淋巴瘤、肺癌、神经母细胞瘤中存在ALK的异常激活。于是，目前临床上使用的抗癌药物中，有一部分就是采取了抑制ALK活性的思路。比如，ALK抑制剂目前是治疗ALK阳性非小细胞肺癌的一线靶向药物，该药物治疗其它ALK阳性癌症的临床试验也在进行中。

如果抑制了ALK，那么ALK对SMAD4的磷酸化修饰也消除了。这样，TGF-β信号通路的响应也就恢复了正常。这意味着，如果在肿瘤发生的晚期使用ALK抑制剂，就有可能恢复TGF-β信号通路，露出“魔鬼”的一面，存在促进肿瘤转移的可能性。从细胞实验到动物实验到人体病理切片，课题组观察并证实了这种可能性。基于TGF-β信号通路还能够调节机体其他许多生理和病理反应，比如免疫抑制、器官纤维化等，该研究提示了ALK抑制剂的潜在副作用。因此，在ALK阳性癌症的靶向治疗中，研究团队建议采用ALK和TGF-β抑制剂联合用药的策略。