肿瘤细胞分化为类神经细胞及其机制研究

论文摘要

肿瘤的发生被认为是处于活跃状态的正常细胞在基因错误调控后所产生的不可逆后果。同时该过程赋予了癌细胞重新分化的能力。新的证据表明,实体肿瘤细胞具有向神经细胞转化的能力。但目前,其机制尚不清楚。组蛋白和DNA修饰酶对染色质的动态调节是多种细胞命运特化的关键因素。大量的研究表明,诸多的表观遗传学因子参与到了肿瘤的发生发展当中来并在神经的发育过程中起着非常重要的作用,这其中就包括Enhancer of zeste homolog 2（EZH2）、DNA methyltransferase 1（DNMT1）、Histone deacetylase 1（HDAC1）、Lysine（K）-specificdemethylase 1A（LSD1）这四个表观遗传学蛋白因子。研究表明,包括H3K4me1/2/3、H3K27me1/2/3、H3K9ac等在内的组蛋白修饰和DNA甲基化的大量出现在维持神经干细胞干性方面起着重要作用。这类表观修饰的下降是促进神经干细胞向终端分化的重要因素。EZH2作为Polycomb repressive complex 2（PRC2）的酶活亚基,是催化H3K27me3形成、维持基因转录沉默的关键蛋白。研究表明,EZH2在维持干细胞干性和促进多种肿瘤的发生发展、代谢、药物抵抗等过程中扮演了基础性的角色,并参与到了肿瘤血管新生的过程中来。进一步的研究发现EZH2不仅能依赖PRC2复合物催化组蛋白的甲基化,也具备单独行使催化活性进而对非组蛋白进行甲基化修饰这一非经典功能。如STAT3、RORα、GATA4等蛋白都是EZH2的催化底物。基于此,EZH2也成为了肿瘤治疗的一个关键靶点。有实验表明,在人体间充质干细胞中敲降EZH2,可促使其向神经细胞方向分化。进一步研究发现,EZH2在平衡大脑皮层多能干细胞的自我更新和分化中起关键作用,并参与维持小鼠脑室下区神经源性星形胶质细胞的干性。大量报道证实DNMT1、HDAC1、LSD1的高水平表达也是多类肿瘤不良预后的重要因素。异常的DNA甲基化会造成抑癌基因的表达沉默,进而促进肿瘤的发生发展。DNMT1在多种肿瘤细胞当中的过量表达是引起DNA异常甲基化的重要因素之一。有研究报道DNMT1在膀胱癌、肝脏肿瘤以及胃癌等肿瘤细胞中的高表达促进了与细胞凋亡、DNA损伤修复等相关的抑癌基因的表达沉默,进而参与维持肿瘤的恶性。与神经相关基因的DNA甲基化的动态变化被认为在神经细胞的分化和行使功能的过程中起到了重要的作用。组蛋白去乙酰化酶家族成员（HDACs）可分别通过与DNA结合因子和多功能抑制因子复合物的协同作用促使抑癌基因的表达沉默进而促进肿瘤的发生和发展。除此以外,HDAC1可直接以P53蛋白为底物发挥去乙酰化功能进而维持肿瘤的恶性状态。目前对于HDAC家族在神经发育方面的作用已做了大量的工作。研究表明,抑制HDACs可促进神经祖细胞向神经方向特化。LSD1作为第一个被发现的组蛋白去甲基化酶,在维持染色质结构和平衡基因的表达状态方面发挥着重要的功能。同时,其也是包括神经母细胞瘤、乳腺癌、肝癌等在内的多种肿瘤的致病基因。已有的研究显示,LSD1通过对基因Atn1的调节参与维持小鼠大脑皮层神经祖细胞的干性。另外,LSD1/CoREST复合物对小鼠神经的分化、迁移以及形态发生等方面有着重要的影响。有报道显示,神经细胞尤其是自主神经细胞在促进诸如前列腺癌、胃癌以及结肠癌都实体瘤的迁移、侵袭和生长方面起着重要作用,是维持肿瘤恶性的重要因素。同时肿瘤细胞也会相应的分泌神经营养因子促进神经的生长。实验表明,在小鼠胃癌组织中切除或者药物阻断神经系统可有效的抑制肿瘤生长并增强药物的治疗效果。基于以上已有的研究结果,我们总结出在大部分肿瘤发生发展过程中表观遗传学的蛋白因子均呈现出高表达现象。但目前的研究大都局限在单一因素对肿瘤的影响,而忽视了不同因素的共同作用。也正以如此,目前对于肿瘤的治疗总是显得有些捉襟见肘。那么各表观遗传学蛋白在促进肿瘤发生发展过程中是否具有协同作用还上不清楚。同时肿瘤细胞与神经干细胞之间存在必然联系的潜在机制还有待阐明。实验当中,我们发现在包括肝脏肿瘤细胞HepG2在内的诸多肿瘤细胞系中分别稳定敲降EZH2、DNMT1、HDAC1、LSD1会导致肿瘤细胞恶性的下调,并伴随着增值、迁移能力的下降。组合抑制这四个蛋白因子会导致肿瘤恶性的进一步抑制,同时在细胞的表面出现类似于神经轴突的丝状延伸物。蛋白检测实验证实在组合抑制后的细胞中神经特异表达的蛋白显著上升。值得注意的是,在结肠癌细胞SW480中,单独敲降EZH2也会有类似神经的表型出现。进一步的研究发现EZH2、DNMT1、HDAC1以及LSD1这四个蛋白在细胞内发生了直接的相互作用,并影响到了 Wnt/β-catenin和TGF-β信号通路。大量报道表明过度激活的Wnt/β-catenin信号通路是诱发肿瘤的重要原因,而TGF-β信号通路是肿瘤中晚期维持恶性的关键因素之一。同时,这两条信号通路在促进大脑发育,平衡神经干细胞自我更新和分化之间起着重要的调节作用。我们之前的实验表明,在各类肿瘤细胞中高表达的原癌基因在爪蛙早期胚胎的神经发育和形成的区域有特异的高表达现象。这些发现都提示我们肿瘤细胞与神经干细胞存在一定的共性,通过改变肿瘤细胞中的表观遗传学修饰可促使其向神经方向分化。最后,我们就肿瘤向类神经细胞分化的潜在机制做了进一步的研究,并阐释了各表观遗传因子之间相互协同和作用的具体机制。综上所述,大部分实体肿瘤细胞具有神经干细胞的特性。通过协同改变肿瘤细胞中关键的表观遗传学修饰既是抑制肿瘤发生发展的重要途径,也可促使其向神经方向分化。这些研究发现为肿瘤治疗和神经转分化研究提供了一个新的思路。

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Abstract

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Abbreviations

Chapter Ⅰ: Review: Epigenetics modification factors and signal pathways involve intumorigenesis and neurodevelopment

1. Tumorigenesis and development

2. Epithelial-to-mesenchymal transition（EMT）

3. Neurodevelopment

4. Cross-talk between tumors and nerves

5. Epigenetics modification

5.1 DNA methylation

5.2 Histone modifications and corresponding enzymes

5.2.1 Dynamic switch between methylation and demethylation in lysines ofhistones

5.2.2 Dynamic switch between acetylation and deacetylation in lysines ofhistones

5.3 Modifications in non-histone proteins

5.4 Relationship between epigenetics modifications and tumorigenesis

5.5 Relationship between epigenetics modifications and neurodevelopment

6. Signal pathways make critical role in tumorigenesis and neurodevelopment

6.1 Wnt/β-catenin pathway and its role in tumorigenesis and neurodevelopment

6.2 TGF-β pathway and its role in tumorigenesis and neurodevelopment

7. Summary

8. Reference

Chapter Ⅱ: Study on the differentiation of tumor cells into neuron-like cells and itsunderlying mechanism

1. Introduction

2. Materials and methods

3. Results and conclusion

3.1 Synergistic targeting at multiple of epigenetics modification enzymes can effectively inhibit tumor progression and promote neural-differentiation of tumors

3.1.1 Knockdown of chromatin modification enzymes inhibits tximor progression

3.1.2 Knockdown of chromatin modification enzymes induces neuron-like differentiation in cancer cell lines

3.1.3 Interactions between epigenetic modification enzymes and between the enzymes and the key signal transducers of TGF-β and Wnt pathway

3.1.4 Combined targeting at chromatin modification enzymes efficiently inhibit tumor progression and induces neuron-like differentiation of cancer cell line

3.1.5 Binding of epigenetic modification enzymes to promoters and chromatin modifications in the promoters are changed in cells treated with TALE

3.1.6 TALE treatment leads to neuronal differentiation in neural progenitor/stem cells

3.1.7 Conclusion

3.2 Knockdown of EZH2 leads to neuron-like differentiation in SW480 cells and reduce of malignancy

3.2.1 Knockdown of EZH2, but not other epigenetic modification factors, leads to neuron-like differentiation in SW480 cells

3.2.2 Knockdown of EZH2 downregulates protein expression of HDAC1, LSD1,DNMT1, and of P-CAT and SMAD transducers though Ub-dependent degradation way

3.2.3 Reduced EZH2 expression enhances ubiquitination of its interaction partners

3.2.4 EZH2 knockdown accelerates protein degradation and inhibits Wnt and TGF-psignaling transduction

3.2.5 EZH2 promotes expression of its interaction partners

3.2.6 EZH2 mediates maintaining stability of its interaction partners by coordinating with USP7

3.2.7 EZH2 plays central role in binding of epigenetic modification enzymes to target gene promoters

3.2.8 Conclusion

4. Discussion

5. Reference

Appendix

Publications

Acknowledgement

文章来源

类型: 博士论文

作者: 雷安华

导师: 曹萤

关键词: 肿瘤抑制,类神经细胞,转分化,表观遗传因子,信号通路

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 生物学,肿瘤学

单位: 南京大学

分类号: Q254;R730.2

总页数: 131

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