陈竺研究组连发Science，Blood文章

　　

生物通报道：早年毕业于上海第二医科大学的陈竺教授现任国家卫生部部长，上海血液学研究所所长，国家“973”计划首席科学家，国家“863”计划生物与现代农业技术领域专家咨询委员会主任等，其主要的研究方向包括人类白血病的研究，人类基因组研究等，近期其研究小组与其它研究小组合作，接连发表了Science等杂志文章。

来自中国科学院上海生命科学研究院，上海交通大学医学院健康科学研究所发育与疾病实验室，瑞金医院医学基因组学国家重点实验室的研究人员发现进化上高度保守的PTEN-C/EBPa-CTNNA1信号轴控制造血干细胞发育与白血病干细胞恶性转化。这一研究成果公布在《Blood》杂志上。

研究人员发现PTEN-mTOR信号通路作用在PTEN-C/EBPa-CTNNA1轴的上游，在翻译水平决定野生型p42 C/EBPa与其显性负p30 C/EBPa的比例：mTOR活性增加导致p42 C/EBPa/p30 C/EBPa比例下降；mTOR活性减低导致p42 C/EBPa/p30 C/EBPa比例上升。低的p42/p30比例导致p30 C/EBPa优先结合到CTNNA1基因的近端启动子元件，并进而招募含EZH2，EED和SUZ12的PRC2蛋白复合体，介导组蛋白H3在第27位赖氨酸残基的三甲基化修饰（H3K27me3）和转录抑制。与此相反，高的p42/p30比例则导致p42 C/EBPa结合到CTNNA1基因的近端启动子元件，通过促进H3K4三甲基化（H3K4me3）修饰激活CTNNA1转录。进一步研究发现，在PTEN敲除的小鼠骨髓和Pten敲低的斑马鱼胚胎中，野生型C/EBPa和alpha-catenin蛋白水平均显著下调，同时伴有造血干祖细胞的白血病样增生和异常浸润。更重要的是，该研究发现临床上约20％的髓系白血病患者的白血病干细胞存在CTNNA1低水平表达，而PTEN或CEBPA的移码突变只在这些CTNNA1表达低的白血病干细胞中被检测。

这项研究揭示三个重要的白血病肿瘤抑制基因共同作用在一个进化上高度保守的信号转导轴中，通过调节表观遗传学机制“三把锁”（组蛋白H3K27甲基化，组蛋白去乙酰化和DNA甲基化）而控制造血干细胞发育与白血病干细胞恶性转化。该白血病干细胞肿瘤抑制轴的发现也为白血病干细胞的靶向治疗（特别是CTNNA1表达低的患者）提供了重要线索。

另外一项研究中，研究人员解析了三氧化二砷（俗称砒霜）治疗急性早幼粒细胞性白血病（APL）分子机制，揭示了癌蛋白PML-RAR 是砷剂治疗APL的直接药物靶点。他们发现三氧化二砷直接与癌蛋白PML端的“锌指”结构中的半胱氨酸结合，诱导蛋白质发生构象变化和多聚化，继而发生SUMO化、泛素化修饰而被蛋白酶体降解。癌蛋白的降解最终导致白血病细胞走向分化和凋亡。使APL成为人类急性白血病分子靶向治疗取得临床治愈的成功范例。这一成果丰富了APL靶向治疗的理论，对于推动其它类型白血病和实体瘤的分子靶向治疗研究也具有十分重要的指导意义。

APL是一种特殊类型的急性髓细胞性白血病，具有特征性的PML-RAR 癌蛋白。APL曾经被认为是最为凶险的白血病之一，很多患者在发病早期即死于严重出血而缺乏有效的治疗方法。

上世纪90年代，在哈尔滨医科大学张庭栋教授等应用传统中药三氧化二砷治疗APL患者取得疗效的基础上，上海血研所陈竺、陈赛娟研究员等用三氧化二砷成功治疗全反式维甲酸耐药复发的APL患者，并发现砷剂诱导白血病细胞分化和凋亡的双重药理学机制。他们经过进一步临床实践证明全反式维甲酸和三氧化二砷联合应用可以使约90％的APL患者达到5年无病生存，且未见明显长期毒性作用，从而使APL成为第一种基本可以被治愈的急性髓细胞性白血病。“追本溯源”，揭示临床现象所蕴涵的科学本质，阐释药物的分子靶点和机制，对于认识恶性肿瘤的发病机制和探索治疗理论的创新都具有重要意义。

全反式维甲酸通过靶向结合到癌蛋白PML-RAR 的维甲酸受体（RAR ）结构域，重新启动髓系细胞的分化基因调控网络，诱导白血病细胞分化成熟继而凋亡。但长期困扰着研究人员的问题是：三氧化二砷的直接分子靶点和分子机理是什么？

基于对前期研究结果的分析和对重要科学问题的敏感性，研究人员首先提出：砷剂很可能直接靶向PML-RAR 癌蛋白，发挥特异性治疗作用。药物分子靶点的研究首先需要解决的难题是对药物进行标记和示踪。三氧化二砷是一种小分子无机化合物，难以标记。研究人员巧妙地借助两种有机砷-一种用生物素加以标记，另一种则在与蛋白相邻巯基结合后可以发出红色荧光信号，证实了砷剂在细胞内可以直接结合癌蛋白PML-RAR ，而未标记的三氧化二砷则能竞争性抑制此种结合。进一步的追踪则将砷的结合部位定位到癌蛋白上的PML结构域。

随后，研究人员利用生物技术合成PML结构域蛋白，通过多种质谱和光谱学分析证实砷通过与半胱氨酸形成砷硫配位共价键结合到PML结构域上。他们又与其他课题组合作，借助结构生物学和生物物理学的方法解析了砷与PML蛋白结合的配位模式和局部结构。PML-RAR 癌蛋白的PML部分含有锌指结构域，生理条件下与锌结合，研究者通过核磁共振技术发现砷在较高浓度下可以竞争性替换锌与蛋白的结合。接着，他们又解析了砷的结合如何决定该癌蛋白的命运这一问题，通过细胞内、外的实验发现砷剂结合PML结构域后诱导蛋白质构象变化和多聚化，促进其与一种介导翻译后修饰的酶UBC9之间的相互作用增强，使癌蛋白更容易被一种类泛素样蛋白SUMO修饰，继而发生泛素化修饰而被蛋白酶体降解。癌蛋白的降解最终导致白血病细胞走向分化和凋亡。使APL成为人类急性白血病分子靶向治疗取得临床治愈的成功范例。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Arsenic Trioxide Controls the Fate of the PML-RAR Oncoprotein by Directly Binding PML

Arsenic, an ancient drug used in traditional Chinese medicine, has attracted worldwide interest because it shows substantial anticancer activity in patients with acute promyelocytic leukemia (APL). Arsenic trioxide (As2O3) exerts its therapeutic effect by promoting degradation of an oncogenic protein that drives the growth of APL cells, PML-RAR (a fusion protein containing sequences from the PML zinc finger protein and retinoic acid receptor alpha). PML and PML-RAR degradation is triggered by their SUMOylation, but the mechanism by which As2O3 induces this posttranslational modification is unclear. Here we show that arsenic binds directly to cysteine residues in zinc fingers located within the RBCC domain of PML-RAR and PML. Arsenic binding induces PML oligomerization, which increases its interaction with the small ubiquitin-like protein modifier (SUMO)–conjugating enzyme UBC9, resulting in enhanced SUMOylation and degradation. The identification of PML as a direct target of As2O3 provides new insights into the drug’s mechanism of action and its specificity for APL.