康毅滨:癌转移基因MTDH 促进乳腺癌干细胞的存活

【字体: 时间:2014年06月27日 来源:生物通

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  这项最新研究发现MTDH除了以前所知的与癌转移有关的功能外, 对于乳腺癌的早期发生也有至关重要的作用。而MTDH的这种活性只有在它与另一个蛋白,也就是SND-1发生相互作用的时候才能产生。此外,研究组还发现敲除MTDH对于小鼠的正常生长和发育无明显不良影响,这说明靶向治疗这一基因所产生的副作用可能较小。

  

导读:研究人员发现乳腺癌转移基因Metadherin(MTDH)能通过与另外一种分子SND1相互作用,促进癌症干细胞的存活和多种乳腺癌的发生,基于这一发现,研究人员提出了癌症治疗的新策略。

生物通报道:来自普林斯顿大学的研究人员发布了一项最新研究成果,解析了Metadherin(MTDH)基因诱发乳腺癌肿瘤发生与扩散的分子机制。这一研究成果公布在6月26日Cell出版社旗下著名癌症研究期刊《Cancer Cell》杂志上。

   领导这项研究的是普林斯顿大学康毅滨教授,康教授现任普林斯顿大学终身讲席正教授,曾在Cancer Cell杂志上发表过一系列关于乳腺癌转移的重要论文。就最新这项成果,生物通特联系康教授。

   这项最新研究发现MTDH除了以前所知的与癌转移有关的功能外, 对于乳腺癌的早期发生也有至关重要的作用。而MTDH的这种活性只有在它与另一个蛋白,也就是SND-1发生相互作用的时候才能产生。此外,研究组还发现敲除MTDH对于小鼠的正常生长和发育无明显不良影响,这说明靶向治疗这一基因所产生的副作用可能较小。

   MTDH最初是在2004年,由Burnham研究所Ruoslahti博士发现,Ruoslahti博士认为这一基因能促进小鼠乳腺癌细胞的扩散或转移。2009年康教授研究组的博士后胡国宏(现为中科院上海健康研究所教授)在《Cancer Cell》发表的一篇封面论文进一步确认了MTDH在人乳腺癌中的作用,当时研究人员发现这一基因在超过40%乳腺癌患者的肿瘤样品中相比于正常细胞有过量表达。康教授研究组还发现MTDH 过量表达与癌症患者低存活率,高转移风险,以及产生化疗抗性有关。

   在《Cancer Cell》这一最新研究中,研究人员发现MTDH除了之前我们所知的在调控晚期癌症转移的功能外, 也在肿瘤生长初期扮演重要的角色。这一发现表明MTDH是少数几个能在乳腺癌发展过程早期和晚期均起关键作用的基因之一, 也解释了为什么MTDH在如此多的原位肿瘤中高度表达。

   在美国每八位女性中就有一位患有浸润性乳腺癌,每年造成了约4万人死亡,五分之一患有乳腺癌的女性患者最终癌细胞会扩散到整个身体,并产生化疗抗性,这往往都是致命性的。找到癌基因启动癌症发生和转移的机制,将有助于挽救更多患者的生命。

   为此,康教授研究组尝试寻找MTDH基因如何启动肿瘤生长的分子机制,最新研究的第一作者万里玲(Liling Wan,毕业于清华大学,今年5月获得普林斯顿大学博士学位)针对MTDH基因缺失小鼠展开了研究,“我们观察了缺失MTDH基因的小鼠的发育和生长过程,发现MTDH的缺失没有明显不良影响”,万里玲说。之后万里玲和同事们又分析了多种乳腺癌易感小鼠,发现比较于带有MTDH的小鼠,缺失这一基因的小鼠肿瘤要少得多,数量上达到了十倍以上的差异。

   进一步的实验表明,只有当MTDH 与SND-1结合在一起时,这种癌基因才有诱发肿瘤和促进肿瘤转移的活性。SND1 是康教授研究组于2012年通过共沉淀和质谱分析发现的与MTDH相结合的一个蛋白。当万里玲敲除MTDH基因或者SND-1基因的时候,肿瘤都不能形成,或者说形成的肿瘤很小。

   万里玲说,“MTDH能增加SND1蛋白的稳定性,这是肿瘤形成过程中,癌细胞经受住应激压力的一个十分重要的生存因素”。

   普林斯顿大学的研究人员还与罗格斯大学新泽西罗格斯肿瘤研究所放射肿瘤学教授Bruce Haffty领导的研究组合作,分析了人乳腺癌样品中的MTDH 和SND-1(由后者提供样品),结果发现MTDH 和SND1基因表达与人体肿瘤存在强烈正相关关系,这表明了这其中存在重要临床相关性。

   “我们希望有一天能研发出一种药物,通过靶向与癌症转移发生有关的特殊途径,治愈或者控制住乳腺癌,”Haffty 说,“虽然这些研究结果目前还不能在癌症治疗中发挥直接作用,但是他们的这项研究成果令人兴奋,证明了普林斯顿大学基础研究人员与罗格斯癌症研究所的临床研究人员合作的价值。”

   新泽西罗格斯肿瘤研究所副所长,负责研究所基础研究基础医学部的Eileen White教授(未直接参与该项研究)表示,“这项研究在许多不同类型的乳腺癌样品中发现MTDH 和 SND1蛋白的过量表达,因此这一发现适用于多种类型的乳腺癌。”

   康教授研究组尚未发表的研究表明, MTDH在前列腺癌中同样高度表达, 并且在小鼠中敲除MTDH之后, 前列腺癌的发生和转移也同样受到强烈抑制。康毅滨教授表示,“如果我们能找到一种阻断MTDH功能的分子,也许将对多种类型的癌症产生广泛的影响。” 除了康教授研究组,还有一些研究也证明了在约二十种癌症类型中,Metadherin基因过量表达,这表明MTDH阻断策略也许能用于更多类型的癌症。

   为了了解MTDH和SND1之间在分子水平上的相互作用,并从中寻找阻断这一促癌作用的方法,康教授又和他的中学和大学同学,现任威斯康星大学肿瘤生物学系副教授邢咏娜(Yongna Xing)展开了合作,他们利用X射线结晶技术观察这两种蛋白相互结合的方式,X射线结晶技术能帮助研究人员观察到显微镜无法看到的微小结构。

   研究人员发现MTDH蛋白有两条像指头一样的结构,伸入到了SND1蛋白表面的两个口袋中,“这就像把两根手指伸入保龄球的球洞中,”康教授说。解析这一结合部位将有助于解决如何阻断这一相互作用,并由此阻断肿瘤的发生。

   目前研究组正在筛选可以阻止MTDH与SND1结合的小分子,“MTDH能促进SND1蛋白的稳定,而SND1恰似癌症干细胞的救生艇, 能启动原发性肿瘤和肿瘤转移”康教授说,“没有MTDH,SND1在癌细胞面临的种种压力下往往很快被降解,癌症的种子就熄灭了。”

   康教授指出, MTDH在癌症中的重要角色最早是通过对乳腺癌临床样品的基因表达图谱的生物信息学研究发现的。自从2009后虽然有许多实验室对MTDH进行研究,但由于MTDH与其它蛋白无任何显而易见的同源片段, 对于它的功能分析多年来徘徊不前, 已经陷入一个瓶颈。  这次发表的突破性进展是康教授研究组历经七年时间, 利用生物学上最为严谨的模式生物遗传学和蛋白晶体结构研究取得的。相比之下, 如果仅仅采用细胞培养和异种移植(Xenograft)肿瘤模型, 很可能无法发现MTDH在早期乳腺癌发生中的重要功能。康教授认为, 这项研究是现代癌症研究利用多学科手段攻克难题的一个成功例子。  他希望在普林斯顿大学分子筛选中心正在进行的有关MTDH抑制物的筛选能取得成功, 并最终应用到临床治疗, 实现从临床发现到实验室研究再回到临床应用的循环。

图1:普林斯顿大学的研究人员发现癌基因 MTDH具有引导肿瘤形成的关键作用,可以作为乳腺癌的治疗靶标。这张图片显示了两种通过遗传工程诱发乳腺癌小鼠的乳腺组织(染成了红色)差异,左边为携带MTDH的遗传工程小鼠乳腺组织,右边为缺失MTDH的遗传工程小鼠乳腺组织。暗红色云朵状结构(左边)表明乳腺肿瘤形成,而这种肿瘤由于MTDH癌基因缺失,则会大幅度被抑制(右边)。
(图片由普林斯顿大学分子生物学系康毅滨提供)


 
图2 :图2显示了MTDH 和 SND1在乳腺癌发生过程中的相互作用,(上半部)在肿瘤形成的应激环境中,MTDH与SND1相互作用,保护后者不会被降解,从而癌症干细胞得以存活分裂,并最终发展成大量肿瘤。(下半部)当MTDH被敲除,乳腺正常发育过程未受到影响。但是就算与MTDH相互作用,致癌应激条件下SND1也会变得不稳定,不再支持癌症干细胞,这些细胞就会发生应激诱导的细胞死亡,无法诱发肿瘤。
(图片由普林斯顿大学分子生物学系康毅滨提供)

补充:

参与该项研究的研究人员包括普林斯顿大学研究生陆昕(Xin Lu),Mario Andres Blanco和华宇灵(Yuling Hua),本科生Salina Yuan(2013级),以及助理研究学者魏勇(Yong Wei)和 Rumela Chakrabarti,博士后研究员沈敏洪(Minhong Shen)和Heath Smith,研究技术员袁敏(Min Yuan)。威斯康星大学麦迪逊分校Feng Guo和Yongna Xing,罗格斯肿瘤研究所Hao Wu, Marina Chekmareva 和Bruce Haffty,哈佛医学院Roderick Bronson。

这项研究得到了美国国防部资助(BC123187),Brewster基金会,苏珊科曼乳腺癌基金会,美国国立卫生研究院资助(R01CA134519),研究涉及的转基因敲除、组织分析设备和流式细胞仪等资源来自新泽西肿瘤研究所(P30CA072720)。

原文摘要:
MTDH-SND1 Interaction Is Crucial for Expansion and Activity of Tumor-Initiating Cells in Diverse Oncogene- andCarcinogen-InducedMammary Tumors

The Metadherin gene (MTDH) is prevalently amplified in breast cancer and associated with poor prognosis; however, its functional contribution to tumorigenesis is poorly understood. Using mouse models representing different subtypes of breast cancer, we demonstrated that MTDH plays a critical role in mammary tumorigenesis by regulating oncogene-induced expansion and activities of tumor-initiating cells(TICs), whereas it is largely dispensable for normal development. Mechanistically, MTDH supports the survival of mammary epithelial cells under oncogenic/stress conditions by interacting with and stabilizing Staphylococcalm nuclease domain-containing 1 (SND1). Silencing MTDH or SND1 individually or disrupting their interaction compromises tumorigenenic potential of TICs in vivo. Finally, this functional significance of MTDH-SND1 interaction is supported by clinical analysis of human breast cancer samples.

作者简介:



康毅滨博士现为普林斯顿大学分子生物学系终身讲席正教授(Warner-Lambert/Parke-Davis Professor of Molecular Biology)及新泽西肿瘤研究所研究员。康毅滨1973年出生於福建龙海。中学时曾就学於福建龙海一中和国家教委北大附中理科试验班。1990年获全国化学竞赛一等奖并入选第22届国际化学奥林匹克国家集训队,同年保送复旦大学遗传学系。1995年以第一名的成绩大学毕业后赴美国杜克大学 (Duke University) 攻读博士学位。2000年博士毕业后获美国艾文顿基金会博士后研究奖并加入史隆.凯特林癌症研究中心 (Memorial Sloan-Kettering Cancer Center), 在美国科学院院士琼.马萨戈(Joan Massague)实验室从事博士后研究,利用分子生物学和基因芯片技术探索癌细胞恶性扩散的分子机理, 并做出开创性研究成果。从2004年九月起被聘为美国普林斯顿大学 (Princeton University)助理教授, 2010年初晋升为终身副教授, 成为该系历史上继施一公教授(现为清华大学生命科学学院院长)之后第二位获得终身教职的来自中国大陆的生物学家。2012年康毅滨博士被破格提前晋升为终身讲席正教授 (Endowed Chair Professor), 创下该系历史上从助理教授晋升到讲席正教授最快记录。

康教授研究工作的重点是关于乳腺癌扩散的分子机理。他建立了一系列先进的小鼠模型, 并结合基因组,分子生物学,活体成像技术等高技术手段寻找与癌症复发,转移,以及抗药性有关的基因,并深入进行功能方面的研究。从赴美留学至今,康毅滨在<<细胞>>, <<癌细胞>>, <<自然医学>>, <<自然细胞生物学>>等世界顶尖科研刊物发表了100余篇论文。康教授的研究工作已受到生物医学界和医药界同行广泛关注并由此获得许多荣誉。康毅滨於2006年获美国癌症学会研究学者奖和美国国防部希望学者奖。2011年荣获维尔切克创新奖 (Vilcek Prize for Creative Promise)生物医学奖。这是中国大陆出生的科学家第一次获此殊荣。Vilcek创新奖颁发给在美国以外出生的38岁以下的杰出艺术家和生物医学科学家,奖励其在职业生涯的早期阶段展现出的非凡创意和对美国社会做出的原创性贡献。 2012年康毅滨获美国癌症研究学会(AACR)杰出贡献奖。 这是美国癌症研究领域授予40岁以下青年科学家的最高奖项。 这也是中国大陆出生的科学家第二次获此荣誉,此前德州大学西南医学中心的王晓东教授(现为北京生命科学研究所所长)于2004年获此奖项。2013年康毅滨获华人生物学家协会杰出青年科学家奖, 2014年获美国骨研究学会Fuller Albright奖。2014年获国际癌转移学会Josh Fidler成就奖并当选为该学会首位华裔主席(任期2016-2018)。

 

 

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