细胞张力介导维甲酸类小分子抑制肿瘤再生细胞增殖机制的研究

Tumor repopulating cells (TRCs) are a self-renewing, highly tumorigenic subpopulation of tumor cells which exhibit high chemo-resistance to conventional chemotherapeutic drug treatment and therefore are speculated to be the key players in cancer relapse after chemotherapy. It is an urgent problem to find effective anticancer drugs to inhibit the proliferation of TRCs. We developed a novel synthetic retinoid, namely WYC-209, which could inhibit proliferation of TRCs in high efficiency by binding retinoic acid receptor (RAR). However, the mechanism of how WYC-209 inhibit TRCs proliferation remains elusive. Our preliminary study found that WYC-209 decrease cell tension of TRCs and inhibit S phase in cell cycle. Studies have shown that cell tension is necessary for cell cycle progression from G1 to S, suggesting that WYC-209 may inhibit cell proliferation via inhibiting cell tension to regulate cell cycle. Based on this, we will investigate the mechanism of how WYC-209 decrease cell tension of TRCs, and the role of cell tension regulate cell cycle and cell proliferation of TRCs. We investigated the mechanism of WYC-209 inhibit proliferation of TRCs at the prospective of the mechanical signal changes mediated by targeted anticancer drugs. The completion of this project is expected to explain the mechanism of how anticancer drugs inhibit proliferation of TRCs，and providing the basis for optimizing WYC-209 and developing new anticancer drugs.

肿瘤再生细胞（TRCs）具有高自我更新，高成瘤性及对传统药物耐药性的特征，是肿瘤复发与转移的元凶。找到有效抗癌药物抑制TRCs的增殖是亟待解决的难题。申请人于2018年研发出一种维甲酸类小分子抗癌药物WYC-209能够以视黄酸受体（RAR）为靶点在体外和体内高效地抑制TRCs的增殖，然而其机制并不清楚。课题组前期研究发现，WYC-209可以抑制TRCs的细胞张力，并有效抑制TRCs细胞周期从G1期到S期的过渡。而已有研究表明，细胞张力是调控细胞周期从G1期转变为S期的关键。基于此，本项目拟探究WYC-209抑制TRCs张力的分子机制，以及细胞张力在调控TRCs细胞周期及增殖中的作用。从靶向抗癌药物介导力学信号变化这一全新角度，探究WYC-209抑制TRCs增殖的机制。本课题的完成有望阐述靶向抗癌药物抑制肿瘤再生细胞增殖的新机制，为优化WYC-209以及开发新型抗癌药物提供新的思路。

肿瘤再生细胞（TRCs）具有高自我更新，高成瘤性及对传统药物耐药的特征，是肿瘤复发与转移的元凶。WYC-209是项目负责人参与研发的维甲酸类小分子抗癌药能够以视黄酸受体（RAR）为靶点在体外和体内高效地抑制TRCs增殖，然而其机制并不清楚，这为优化新型靶向抗癌维甲酸带来了阻碍。.本项目利用生物力学方法筛选培养的肿瘤再生细胞为研究对象，通过三维细胞张力定量技术和高分辨率荧光显微镜对WYC-209抑制TRCs过程进行实时跟踪，捕捉其抑制TRCs增殖和诱导凋亡中细胞张力的变化，发现WYC-209下调细胞张力在抑制增殖和诱导凋亡之前发生，提示细胞张力可调控化疗诱导的凋亡。为了阐明这一现象的原因，我们对WYC-209的靶点RARγ与细胞张力调控基因Cdc42的相互作用进行研究，发现维甲酸WYC-209进入肿瘤再生细胞TRCs后，与靶点RARγ结合，并诱导RARγ出核，导致核内结合Cdc42启动子的RARγ减少，从而下调Cdc42的表达，解聚F-actin，以此下调细胞张力。为了揭示细胞张力调控TRCs增殖和凋亡的机制，我们基于前期的基础，聚焦于表观遗传调控，并通过ChIP等实验，发现WYC-209介导细胞张力降低会下调H3K9me3并上调H3K9ac，以此改变染色质构象，疏松染色质，暴露细胞周期抑制基因和凋亡相关基因启动子位点，激活细胞周期抑制基因和凋亡基因表达，从而抑制TRCs的增殖并诱导凋亡。基于此机制的探究，提出细胞张力抑制剂或H3K9me3调控剂与WYC-209联用的方法，增强WYC-209的抑制效率，并在小鼠模型中验证有效。围绕本项目，发表Science Robotics, Science Advances, Advanced Science, Acta Biomaterialia以及APL Bioengineering等主流学术期刊6篇，并完成WYC-209中国和美国两项发明专利的授权。依托本项目，已培养（含共同培养）毕业博士生1名，毕业硕士生4名，项目负责人于2021年入选湖北省“百人计划”。参加国内外学术会议6次并作口头报告，获第十三届全国生物力学学术会议优秀学术论文。.综上所述，本项目从力学生物学的全新角度阐述了新型维甲酸WYC-209抑制肿瘤再生细胞增殖和诱导凋亡的机制，为生物力医学在肿瘤治疗的应用提供新的思路，也为新型维甲酸抗肿瘤药物的研发提供新的思路。