細胞老化作用與先天性免疫機制皆具控制癌症生成的功能,然而,兩者之間的交互作用則尚待釐清。本研究發現,大量存在於使用「替代性延長端粒(Alternative Lengthening of Telomeres, 簡稱ALT)機制」 癌細胞中的「染色體外端粒DNA」(extrachromosomal telomere repeat DNA, 簡稱ECTR),當誘發累積於正常人類細胞時,會活化細胞內負責偵測游離DNA 的cGAS-STING路徑,引發第一型干擾素反應,抑制細胞生長。然而,ALT癌細胞中,cGAS-STING路徑普遍中斷,無法正常啟動干擾素反應,因而迴避了先天性免疫機制,這是ALT細胞得以發展成癌症的關鍵。此研究成果將可應用於發展針對ALT腫瘤的免疫治療。

 

一、端粒與老化

端粒(Telomere)是染色體末端的保護性DNA結構,由5000-15000鹼基對的TTAGGG序列組成,此一結構可防止染色體末端重組融合,並維護基因體穩定,在缺乏端粒結構的狀態下,染色體的末端就有如斷裂的DNA,會誘發DNA損害反應,啟動DNA修復機制,造成染色體融合。然而,端粒結構卻有不穩定的特性,特別是當端粒複製時,因為DNA複製機制先天限制,導致端粒複製不全,在每一次細胞分裂後都會變短,隨著細胞持續分裂生長,最終造成端粒過短,保護功能喪失,然後誘發DNA損害反應,影響細胞正常功能,造成細胞生長停滯與引起細胞老化; 在人體內,生殖細胞具有充足的端粒酶可延長端粒,但其他體細胞以至於成體幹細胞,皆因為端粒酶缺乏,而使得個體細胞端粒長度隨著年紀增長而逐漸變短,端粒減損因而成為個體老化的促進因子,端粒生物學的研究也一直伴隨著長生不老的話題。

 

二、端粒與癌化

就癌症生成的角度來看,雖然端粒長度限制了細胞壽命,但端粒變短而引起細胞與個體老化的現象,卻是重要的癌症抑制機制。癌症的生成仰賴癌細胞發展出端粒維護機制,以維持其細胞永生,癌細胞主要是透過誘發端粒酶大量表達來延長端粒,而缺乏端粒酶的癌細胞則是利用「替代性延長端粒(Alternative Lengthening of Telomeres, 簡稱ALT)」機制來維護端粒結構,此一機制利用DNA同源重組,以DNA修復合成的方式延長端粒,約有10-15%的腫瘤是利用 ALT機制來維護其端粒長度,特別是在包括兒童腦瘤(Pediatric glioblastoma)、軟組織瘤 (Soft tissue sarcoma)及骨癌(Osteosarcoma)的癌細胞中,ALT是其主要的端粒維護機制,ALT腫瘤細胞中存在大量染色體外端粒(Extrachromosomal Telomere Repeats, ECTR) DNA,雖然目前ECTR 已被應用作為檢測 ALT 腫瘤的獨特生物標記,但在已發表的文獻中,關於游離在細胞內的ECTR DNA如何影響ALT 癌細胞發展與生成還有待釐清。

 

三、ECTR誘發細胞反應

為了研究細胞對於ECTR累積的反應,我們研究團隊建立一套使細胞產生 ECTR的誘導系統,可在正常人類纖維母細胞中誘發大量ECTR產生,有趣的是,我們發現源自於細胞核端粒的ECTR會轉移至細胞質中,並被cGAS感知蛋白偵測 (圖1A),進而透過cGAS-STING訊息路徑來活化IRF3轉錄因子,誘發第一型干擾素表達,啟動第一型干擾素反應,並造成細胞生長停滯 (圖1B),此干擾素反應為先天免疫系統的一部分,主要是用來偵測病毒與細菌的感染,透過偵測微生物DNA,造成cGAS-STING路徑的活化,誘發一級干擾素及發炎細胞素的生成與釋放,達到抑制微生物感染的目的,而我們的研究首次指出,ECTR就像是細胞內源性的刺激物,因為由細胞核轉移到不應該存在的細胞質中,也會像病原體一樣活化cGAS-STING路徑,誘發先天免疫反應。

 

【A】ECTR於纖維母細胞內,在細胞質中被cGAS蛋白辨認(白色框),端粒DNA經由端粒原位雜交法偵測 (Telomere,紅色),cGAS蛋白由免疫染色標定(綠色),細胞DNA(藍色)位於細胞核中。
【B】ECTR透過cGAS活化DNA感知路徑,抑制細胞生長,當cGAS表達受到抑制(-cGAS), 細胞生長不受ECTR影響。

 

四、ALT癌細胞的DNA感知功能喪失

然而,在ALT癌細胞株中,cGAS-STING 路徑卻無法被活化,因為STING蛋白的表現廣泛受到抑制 (圖2B),造成 cGAS-STING路徑中斷,因此雖然大量ECTR存在於ALT癌細胞中 (圖2A),且細胞質中也可偵測到ECTR,但ECTR 的累積,亦或是外源性 DNA 刺激,都無法啟動干擾素反應,癌細胞也會不斷的增生 。 從腫瘤發展的角度來看, cGAS-STING 路徑的缺失,有利於富含 ECTR的ALT癌細胞迴避第一級干擾素反應引發的生長抑制,此為ALT癌細胞發展的必要條件。

圖2.
【A】ALT細胞 (WI38-VA13, U2OS, Saos2) 存在內源性ECTR (箭頭),但正常肺纖維母細胞WI38 則無ECTR。
【B】STING表達於BJ纖維母細胞,具端粒酶癌之細胞MG63,但STING表達在ALT癌細胞G292, U2OS和Saos2中受到抑制。
C, ECTR 活化cGAS-STING路徑,誘發第一型干擾素反應,抑制細胞生長,但ALT癌細胞喪失此分子機制,因而可持續生長,並可能因而躲避免疫偵測。

 

五、以毒攻毒,以夷制夷的癌症治療新方向

在這研究中,我們發現ECTR藉由cGAS-STING誘發第一型干擾素反應,並抑制人類纖維母細胞生長,相同的細胞反應也發生於病原菌感染,受到微生物DNA誘發,這是用來抵禦外來感染的先天性免疫反應, 重要的是,ALT癌細胞有重大的cGAS-STING路徑缺陷,這或許可以幫助ALT癌細胞生長,並促進腫瘤免疫逃脫 (圖2C),但ALT腫瘤細胞卻也因此缺乏可用來對抗病毒感染的先天性免疫反應,因此我們預期,美國FDA近期核可,利用重組皰疹病毒 HSV作為溶瘤病毒(Oncolytic viruses )的免疫療法,應可應用於ALT癌症的治療,另一方面,因為ECTR也可在特別的生理狀態下產生於一般體細胞中,因此透過研究ECTR,或許有更多與端粒相關的細胞功能,等待我們去發現。

 

Publication

“Extrachromosomal telomere repeat DNA is linked to ALT development via cGAS-STING DNA sensing pathway”, Nature Structural & Molecular Biology 24:12 (2017):DOI:10.1038/nsmb.3498