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