图片来源：PD-NASA; PD-USGOV-NASA
有助让细胞永生化的突变对肿瘤产生是至关重要的，但是在一项新的研究中，来自美国加州大学伯克利分校等研究机构的研究人员指出细胞变成永生化远比原来想象的更为复杂。相关研究结果于2017年8月17日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Mutations in the promoter of the telomerase gene TERT contribute to tumorigenesis by a two-step mechanism”。
细胞永生化的关键是一种被称作端粒酶的酶，它让染色体在经常分裂的细胞中保持健康。这种酶延长染色体末端的端粒，在每次细胞分裂期间，这些端粒就会变短。
当端粒太短时，染色体末端彼此间连接在一起，当细胞分裂时，这会造成破坏，在大多数情况下会杀死细胞。
鉴于端粒随着细胞年龄的增加而变短，科学家们从理论上认为，从不会衰老的癌细胞通过产生细胞在正常情形下不会产生的端粒酶而变得永生化，从而是得这些细胞永久性地保持较长的端粒。经估计，90%的恶性肿瘤利用端粒酶实现永生化，而且提出的多种癌症疗法都着重关注降低端粒酶在肿瘤中的产生。
在这项新的研究中，这些研究人员以体外培养的基因组工程细胞为实验对象研究了永生化过程，而且当皮肤细胞从痣进展为恶性黑色素瘤时，也追踪了它们，结果提示着端粒酶在癌症中起着更为复杂的作用。
论文通信作者、加州大学伯克利分校分子与细胞生物学助理教授Dirk Hockemeyer说：“我们的研究结果对如何考虑促进癌症产生的最早过程和将端粒酶作为治疗靶点产生影响。这也意味着端粒生物学在癌症产生的早期阶段发挥的作用已被极大地忽视。我们在黑色素瘤中的发现很可能也适合其他的癌症类型，这也就意味着人们会更加仔细地研究较早的端粒缩短作为一种肿瘤抑制机制所发挥的作用。”
Hockemeyer、他在加州大学伯克利分校的同事们与加州大学旧金山分校皮肤病理学家Boris Bastian及其同事合作，发现细胞永生化是一个两步骤过程，最初由激活端粒酶的突变引起，但这种激活水平较低。该突变位于端粒酶基因上游的一个启动子（被称作TERT），该启动子调节着端粒酶的表达水平。四年前，已有人报道过，大约70％的恶性黑色素瘤在TERT启动子中具有这种相同的突变。
Hockemeyer说，这种TERT启动子突变不能产生足够的端端粒酶来使得前癌细胞永生化，但会延缓正常的细胞衰老，从而允许有更多的时间来让更多的激活端粒酶的变化发生。他猜测端粒酶水平足以延长最短的端粒，但不能让它们一直具有较长的长度和保持健康。
如果细胞未能增加端粒酶表达，那么它们也不能永生化，并且最终因端粒变短而死亡，这是因为染色体连接在一起，在细胞分裂时会破碎。具有这种TERT启动子突变的细胞更可能上调端粒酶，这就使得它们尽管具有非常短的端粒，但仍能继续生长。
不过，Hockemeyer说，端粒酶水平是较低的，结果就是一些未受保护的染色体末端在存活的突变细胞中出现，这可能导致突变和进一步促进肿瘤形成。
Hockemeyer说，“在我们的论文发表之前，人们可能认为在TERT启动子中仅获得这一个突变就足以使细胞永生化，以及当这种情形在任何时候发生时，端粒缩短就被消除。我们证实这种TERT启动子突变不能立即足以阻止端粒缩短。”
然而，仍然不清楚最终是什么导致端粒酶上调表达，从而使得细胞发生永生化。 Hockemeyer说，它不可能是另一个突变，而是影响端粒酶基因表达的表观遗传变化，或转录因子或其他的结合到端粒酶基因上游启动子上的调节蛋白表达的变化。
“然而，我们有证据证实，第二步必须发生，而且是在端粒的长度缩短至一个临界值时发生的，在这时，端粒是功能故障的，并且导致基因组不稳定。”
虽然大多数癌症似乎需要端粒酶变得永生化，但已知只有约10％至20％的癌症在端粒酶基因上游的启动子中发生单核苷酸变化。然而，这包括大约70％的黑色素瘤和50％的肝和膀胱癌。
Hockemeyer说，用来支持这种TERT启动子突变上调端粒酶表达的理论的证据一直是自相矛盾的：癌细胞往往具有较短端粒的染色体，但具有更高水平的端粒酶，这种高水平应当会产生更长的端粒。
根据这些新的发现，端粒在癌前细胞（precancerous cell）中比较短，这是因为端粒酶刚好足以维持而不延长端粒。
Hockemeyer说，“我们的论文调和了关于携带这种突变的癌症的相互矛盾的信息。”
该发现还解决了另外一个最近的违反直觉的发现：具有更短端粒的人更能抵抗黑色素瘤。他说，其中的原因在于如果一种TERT启动子突变会促进癌前病灶（痣）向黑色素瘤转化，那么在具有更短端粒的人中，在细胞上调表达端粒酶和让它们变得永生化之前，这些细胞将会死掉。
该研究还涉及对由人多能性干细胞分化的细胞进行基因改造，使之携带TERT启动子突变，随后追踪它们变得永生化的进展过程。这些结果与从加州大学旧金山分校海伦迪勒家族综合癌症中心的患者体内获得的人皮肤病灶样品中观察到的进展过程是相同的。
参考资料：
Kunitoshi Chiba, Franziska K. Lorbeer, A. Hunter Shain et al. Mutations in the promoter of the telomerase gene TERT contribute to tumorigenesis by a two-step mechanism. Science, Published online: 17 Aug 2017, doi:10.1126/science.aao0535
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