系统探索内质网蛋白稳态在肿瘤发生发展中的作用

Cancer remains as one of the life-threatening diseases in China and worldwide. The endoplasmic reticulum (ER) is a major site in the secretory pathway for protein translation, modification, folding and assembly. Tumor cells in vivo often experience stress conditions including hypoxia and low pH, which in turn induces ER stress response, also known as unfolded protein responses (UPR). UPR elicits a wide range of signaling events including augumented ER-associated protein degradation (ERAD). HRD1 is one of the most important and evolutionally conserved ubiquitin ligases in the human ERAD pathway. So far, most studies on the role of UPR and ERAD in tumorigenesis were restricted to a limited number of cancers. The role of these two pathways in the function of cancer stem cells is completely unknown. Our preliminary studies demonstrated that UPR and ERAD are activated to different levels in tumor cell lines derived from different tissues. ER stress also imposes differential cytotoxic effects on different tumor cells. Inhibition of UPR or HRD1 retards tumor cell growth under normal, hypoxic and other ER stress-inducing conditions. We propose that UPR and ERAD function differently in different tumor cells in vivo and in vitro. Our proposed study will employ a combination of chemical biology, molecular biology and cell biology techniques to systematically investigate the role of UPR and ERAD in tumorigenesis. We believe that our study is likely to identify specific inhibitors and novel targets for the treatment of multiple types of cancers and will also greatly aid the development of individualized medicine towards cancer.

肿瘤是威胁国人健康的重大疾病之一。内质网是分泌通路中蛋白质翻译、修饰、折叠和组装的场所。肿瘤细胞在体内经受着缺氧、酸性等条件的刺激。这些刺激可诱发内质网应激反应。内质网应激反应可增强内质网相关蛋白降解通路的活性。HRD1是人内质网相关蛋白降解途径中最重要的泛素连接酶。迄今为止，系统性分析内质网蛋白稳态在肿瘤发生发展，特别是肿瘤干细胞成瘤中的作用尚无报道。我们的前期实验证明了这两种通路在不同肿瘤细胞中激活程度有显著的差异，同时引起内质网应激的刺激对不同肿瘤细胞有着不同的细胞毒性。抑制内质网应激反应和HRD1可以减缓肿瘤细胞的生长。我们推测内质网蛋白稳态的调控在不同肿瘤发生中发挥着不同作用。本研究拟采用化学生物学、分子生物学方法系统性地比较内质网应激反应和内质网相关蛋白降解通路在肿瘤发生发展中的作用。此项工作极有可能为肿瘤个体化治疗提供新的靶点。

未折叠蛋白效应 (unfolded protein response，UPR) 和内质网相关蛋白降解（ER associated degradation, ERAD）通路是维持内质网蛋白稳态的重要机制，许多肿瘤经受着缺氧、营养缺失等刺激，导致未折叠蛋白在内质网腔内积聚，激活UPR 。肿瘤干细胞是一类与胚胎和成体干细胞类似的肿瘤细胞，在肿瘤的形成、恶化和转移中起着重要作用。人细胞内UPR有三条信号通路：PERK、ATF6a和 IRE1a。p97 在ERAD过程中，负责底物从内质网到胞浆的逆向运输。我们发现在多种肿瘤组织中PERK、ATF6a、IRE1a和p97的表达明显高于癌旁正常组织，在遗传背景接近的乳腺癌细胞中与恶性程度呈正相关，在乳腺癌干细胞中UPR激活程度和p97表达水平增高。针对UPR和ERAD靶向蛋白的特异小分子抑制剂，可显著抑制乳腺癌和多种肿瘤细胞体外和体内的增值，不同程度地诱发细胞凋亡和坏死，并减低乳腺癌干细胞群，阻止乳腺癌干细胞样mammosphere的形成和维持。小分子抑制剂增强传统化疗药物和蛋白酶体抑制剂Bortezomib对肿瘤的杀伤作用，呈现协同功效。PERK、ATF6a、IRE1a和p97过表达和基因沉默实验验证了小分子抑制剂的结果。PERK、ATF6a和IRE1a 的失活对乳腺癌的增值和特别乳腺癌干细胞群的影响不同，提示UPR三条信号通路在乳腺癌的发生发展中发挥不同作用。在所有的靶点中，p97的失活最显著地破坏了乳腺癌细胞的增值和乳腺癌干细胞的形成，因此p97是治疗肿瘤的一个重要靶点。 抑制UPR和ERAD可诱发多种细胞分化通路的改变，从而影响乳腺癌干细胞的增值和分化。基因芯片实验进一步发现了在UPR和p97失活后发生改变的多条细胞通路，这为今后工作提供了许多可以深入研究的下游靶点。HRD1在多种肿瘤中的表达呈现异质性，在不同恶性程度中的乳腺癌细胞中差异不明显， 敲低HRD1 对乳腺癌细胞的生长影响不大，所以并未持续跟踪。我们这项工作系统地比较了UPR及ERAD不同信号通路在乳腺癌中的表达和功能上的差异，这对深入理解UPR的细胞生物学机制，及其在肿瘤发生中的作用有重要意义。进一步开发更加特异高效的小分子抑制剂，将为治疗乳腺癌和其他多种肿瘤特别是肿瘤干细胞提供重要的帮助。