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Hippo信号通路领域重大发现!管坤良课题组Cell报道Hippo信号通路在肿瘤免疫调节中的重要作用——附同行专家点评

来源:BioArt 2016-12-06 11:03

12月1日,Cell最新一期杂志发表了来自加州大学圣地亚哥分校管坤良教授课题组的一篇题为“The Hippo Pathway Kinases LATS1/2 Suppress Cancer Immunity”的重要文章,这项研究也是近两年来Hippo信号通路领域最重大的发现之一。在这项研究之前,研究人员似乎对Hippo信号通路参与调控肿瘤免疫原性并不清楚,在敲除LATS1/2的条件下,小鼠体内能够诱导增强抗肿瘤免疫从而抑制肿瘤的发生,而此前很长一段时间内大多数研究表明Hippo信号通路的失活能诱导部分器官的肿瘤发生,并且此前LATS1/2也被公认为是抑癌基因,而在坤良老师这篇Cell中LATS1/2又表现出具有抑制免疫原性的“癌基因”特性,那事实到底是怎样一回事呢?为此BioArt邀请了多位专家对这项研究进行深入的点评(详见文末),或许专家们的点评会为您解开论文阅读中的一些疑惑。

论文核心内容介绍:

先上几张有代表性的图

有关本篇文章的细节分析这里就不再展开了,这篇文章没有复杂的生物学机制,咋一看十分不像是管老师实验室文章的风格,以往都是精妙的一连串生化分子机理,不过这篇文章在小鼠体内做了大量的实验并对敲除LATS1/2后的小鼠模型做了细致的免疫相关分析,这标志着管老师课题组正式进入肿瘤免疫领域了。

总结:免疫原性差的肿瘤细胞在宿主免疫防疫的过程中会发生逃逸,当在肿瘤中敲除LATS1/2时,能够刺激核酸富集的胞外囊泡的分泌,然后诱导Toll样受体MYD88/TRIF介导的I型干扰素应答。I型干扰素应答能够刺激宿主免疫反应中的多种成分最终激活T细胞,活化后的T细胞有能够协助肿瘤特异性的细胞毒性T细胞应答和B细胞的抗体产生,最终破坏肿瘤形成(详见下图的作用模型)。

拓展思考:

Cain(美国某研究所  博后)

Hippo signaling 在肿瘤中的作用近年来开始被广泛关注研究。尽管早期有研究表明在DNA damage刺激条件下,YAP可以作为转录因子p73的coactivator 激活下游基因转录,促进细胞凋亡 ,提示YAP可能有类似tumor suppressor 的作用【1】。但是随后的大量研究表明,YAP/TAZ 主要作为转录因子TEAD 家族的coactivator 更多的起到oncogene 的作用。YAP/TAZ激活下游一系列基因转录, 促进肿瘤细胞增殖,存活,抗药性以及维持肿瘤干细胞的干性。而Hippo pathway 中的LATS1/2 和 MST1/2 等上游激酶, 通过磷酸化YAP/TAZ 而促使它们出核,抑制其转录激活能力,从而发挥tumor suppressor的作用。Hippo signaling 在肿瘤中的作用得到了小鼠 模型和临床数据的支持。YAP过表达的转基因小鼠 能自发形成肝癌,表皮样癌 等多种癌症,LATS1 KO小鼠能自发形成软组织瘤和卵巢癌,MST1/MST2 DKO小鼠会得肝癌,直肠癌等多种癌症 。TCGA(The Cancer Genome Atlas)数据也显示在多种人类癌症检测到YAP 的DNA 扩增和LATS2 的DNA 缺失【2】。

管坤良老师的这篇Cell确实称的上是Hippo signaling领域内最近1-2年内的重大发现。初看文章,一个感觉就是惊喜。在文章中,DKO LATS1/2 后激活肿瘤免疫的效果太强大了,小鼠体内的肿瘤几乎完全消失。LATS1/2 作为激酶,相对而言比较好找到 小分子抑制剂,具有很强的临床应用前景,笔者在此不禁联想起当前火到爆的PD1/PDL1。细读完全文后,想到几个问题,和大家分享一下。1. LATS1/2 DKO 的肿瘤细胞在小鼠体内被激活的免疫系统攻击而几乎无法存活,可LATS1 KO的转基因小鼠为什么能够自发形成肿瘤呢?因为LATS1 KO的转基因小鼠是全身性敲除 ,是否有可能是在免疫细胞中敲除LATS1也会影响免疫细胞识别杀伤肿瘤的能力?2. LATS对肿瘤免疫的抑制作用是小鼠特异的还是在人肿瘤细胞中也存在?这点非常重要,直接关系到最后能否上临床应用。目前已经有免疫系统人缘化的NSG小鼠 (通过移植人的造血干细胞等方法实现),可以在人的肿瘤细胞中DKO LATS1/2,再注射到这种人缘化的NSG小鼠中看看是否也能激活人的免疫细胞攻击肿瘤

【1】. ;Basu, S., Totty, N.F., Irwin, M.S., Sudol, M., and Downward, J. 2003. Akt phosphorylates the Yes-associated protein, YAP, to induce interaction with 14-3-3 and attenuation of p73-mediated apoptosis. Mol Cell 11:11-23.

【2】. ;Harvey, K.F., Zhang, X., and Thomas, D.M. 2013. The Hippo pathway and human cancer. Nat Rev Cancer 13:246-257.

专家点评:

赵斌(浙江大学生命科学研究院教授)

Hippo信号通路近年来在发育和癌症领域引起了广泛关注。Hippo通路的蛋白激酶Mst1/2及Lats1/2通过抑制YAP转录辅激活因子以及它的同源蛋白TAZ抑制细胞增殖和干细胞自我更新、促进细胞凋亡,从而控制细胞数量和器官大小。因此我们不难想象Hippo通路的蛋白激酶失活或YAP激活会促进肿瘤发生。的确如此,在许多小鼠模型中,例如肝脏特异性Mst1/2敲除或YAP转基因表达都迅速导致肿瘤发生。在这一背景下管坤良教授实验室的这一引人注目的最新成果显然出乎大家的预料。其亮点在于发现与野生型细胞相比,敲除Lats1/2的小鼠肿瘤细胞在移植到同基因小鼠皮下的时候不但不会长得更大更快,反而成瘤性明显削弱了。并且这一效应还是全身性的,因为种植在小鼠另一侧皮肤下的野生型肿瘤细胞的生长也会受到抑制。

进一步研究发现Lats1/2敲除诱导更多的含核酸的外泌体,并因此刺激了机体的天然免疫防御机制。敲除受体小鼠内感受核酸的天然免疫通路中多个关键蛋白则明显回复了Lats1/2敲除造成的肿瘤细胞成瘤缺陷。这一发现的重要性在于首先证明了Hippo通路在肿瘤生长过程中具有非自主的促进肿瘤的作用,提示我们对Hippo通路在癌症治疗中的应用仅考虑抑制YAP是片面不完整的;其次,这一研究阐明了Hippo通路抑制肿瘤免疫的机制框架,并为后续研究建立了一个简便的assay;第三,在应用转化方面,这一研究提示了一种简单的肿瘤疫苗的可能性,即Lats1/2激酶失活的肿瘤细胞或其外泌体,虽然文中尚未证明单独使用外泌体可以在体内达到诱导抗肿瘤免疫的效果。

这一意外的发现在多种小鼠肿瘤细胞中都可以重复,那么我们怎么来理解与传统的Hippo通路小鼠模型看似矛盾的表型呢? Hippo通路可能即具有抑制肿瘤起始又具有抑制肿瘤免疫的功能,但它们起作用的背景和机制可能不同。在什么背景下Hippo通路抑制肿瘤免疫的作用会充分体现呢?

从人体内的情况来看,虽然YAP激活在很多类型的肿瘤内确实比例很高,但还有很多肿瘤是由其它的癌症相关基因异常导致的,YAP并没有被激活。这种情况下YAP不是肿瘤发生的驱动因素,也不通过细胞自主的方式促进肿瘤生长。对于这样的肿瘤Hippo通路更有可能通过抑制免疫的方式发挥着促癌的作用。另一方面,确实有很多癌症中YAP是明显激活的,例如葡萄膜黑色素瘤、二型神经纤维瘤,以及超过50%的肝癌等。至少对于包括肝脏在内的几个器官来说, Hippo通路的失活或YAP激活导致原本正常的细胞发展为肿瘤的结论是很难辩驳的。这些依赖于YAP的肿瘤逃逸肿瘤免疫很可能需要其它的机制。因此,深入分析各种癌症中Hippo通路的异常情况对后续研究和应用都具有重要的意义。

作者通过对数据库的初步分析发现确实存在Lats1/2的mRNA表达水平与癌症患者生存呈反相关的情况。然而在与之数量相当的dataset中Lats1/2的mRNA表达水平与生存呈正相关,并且在既往报道中YAP/TAZ活性与患者生存呈反相关的情况也不鲜见。因此Lats1/2的表达水平,更关键的是Lats1/2活性与患者生存在不同的癌症类型及亚型中呈现出怎样的相关性是需要进一步关注的重点,也是精准医疗的需求。其次我们也可以从Hippo通路调控肿瘤起始和肿瘤免疫分子机制上的差异来理解表型上的区别。

Hippo通路的细胞自主性抑癌作用依赖于对YAP/TAZ的抑制。这一结论具有体内外遗传学和生化细胞学各种证据的支持。然而作者指出Lats1/2调控免疫反应有可能还通过YAP以外的其它的效应分子。其原因在于YAP过表达造成的肿瘤抑制弱于Lats1/2敲除造成的肿瘤抑制。更重要的是YAP表达导致的肿瘤抑制效应是否也具有非细胞自主性以及YAP/TAZ失活是否可以逆转Lats1/2敲除造成的肿瘤抑制尚无直接证据。因此,Lats1/2还通过什么样的新底物来调控肿瘤免疫也是一个关键的问题。最后,研究体系的差异也可能是造成Hippo通路失活对肿瘤生长产生不同影响的原因之一。

本研究的实验使用免疫系统正常的同基因小鼠皮下移植模型,这是本研究的数据不同于常见的免疫缺陷小鼠皮下移植模型的关键原因,但由此得到的结论能否适用于原位生长的肿瘤呢?在肿瘤从原位的正常细胞向癌细胞转化的过程中对免疫系统的作用有可能影响后续的肿瘤免疫反应,而这些影响在皮下移植的模型里并不一定能呈现出来。并且原位生长的肿瘤由于与微环境之间相互作用的不同也有可能导致对肿瘤免疫的敏感度差异,这也是后续研究需要进一步探讨的问题。

和许多其它突破性发现一样,本研究报道了一个激动人心的意外发现,让我们见识到了Hippo信号通路的另一面,同时也提出了更多的问题,让人深思在癌症的背景下靶向Hippo通路的策略。

杨林(苏州大学唐仲英血液学研究中心特聘教授)

应该说工作很有意思,因为现在免疫治疗中,所谓的“冷肿瘤”(BioArt注:一般来讲,如果癌细胞周围能够识别癌细胞的免疫细胞多,那么这类肿瘤称为“热肿瘤”,反之则称为“冷肿瘤”)是治疗上的难点。如果临床上能够观察到那些所谓的“冷肿瘤”中一个主要机制确实是缺失了LATS1/2,那么无疑为免疫治疗提供了解决肿瘤免疫原性的途径和可能性。

周大旺(厦门大学生命科学学院教授,首批“青千”,国家“杰青”)

Hippo信号通路的功能主要是抑制生长从而调控器官大小,其中关键激酶Lats1/2是进化保守的蛋白,在果蝇与小鼠的正常细胞中敲除Lats/2激酶均导致癌变,因此它们是公认的抑癌基因。管坤良教授课题组在本期Cell的工作展示在多个肿瘤细胞里敲除Lats1/2能有效增强癌细胞的免疫原性从而激发宿主的获得性免疫能力进而抑制癌细胞的生长,显示出“抑癌基因”Lats1/2具有抑制免疫原性的“癌基因”表型,揭示了Lats1/2是潜在的肿瘤免疫治疗靶点。该研究也引发我们思考,其它抑癌基因,在体内是否也同时具有抑制肿瘤起始和降低免疫原性两方面的功能并维持在一定的稳态;反之,癌基因在体内是否也同时具有促进肿瘤起始和增强免疫原性功能。当这两方面稳态失衡或破坏时,某方面功能的缺失会起主导的作用,最终对肿瘤的发生发展产生不同影响;促进我们系统地在体内多维度探索不同基因在肿瘤的预防和治疗中功能,为解决该类人类疾病奠定坚实的理论基础。

管坤良教授简介:

管坤良教授,1963生于浙江桐乡的一个农民家庭,凭借着自己的勤奋和聪明从一个农村小学堂走进了大学校园,进入大学后经历过颓废与迷茫,最后慢慢步入了学术殿堂。管老师1982年毕业于杭州大学生物系(现并入浙江大学),本科毕业后考取了中科院上海植生所研究生,并同时非常幸运的被CUSBEA项目录取赴美到普渡大学攻读博士学位,根据植生所导师的建议选择了酶学方向(1983-1989),拿到PhD之后原本计划在原地选择跟随做植物的教授再做几年博后好回植生所工作,结果两名做植物的教授都没有接受他,然后索性选择了系里最好的一个实验室去做博后(1989-1991),短短两年左右的时间,管老师在这里开始起了磷酸化方面的相关研究。管老师的博后导师是如今鼎鼎大名的Jack E.Dixon(NIBS邵峰院士的博士导师),98年他的实验室在JBC发表了他引用次数目前最高的一篇论文,也就是首次报道了PTEN的磷脂磷酸酶活性。管老师短短两年多的博后生涯,发表了大约十篇左右的一作论文(包括Science,Nature,2篇PNAS,JBC等),1991年博后结束后去密西根大学开始了独立的faculty生涯,这个时候他的博后导师Jack也Move到了密西根大学,2002年做到密西根大学终身正教授(37岁),07年Move到UCSD药学系至今。管老师2006年还和北卡教堂山分校的熊跃教授一同在复旦大学生物医学研究院建立了分子与细胞生物学研究室,在这个地方开辟了肿瘤代谢的新的领域。此外,管老师还兼任浙江大学生命科学研究员共同院长(院长是冯新华教授)。限于篇幅,这里对管老师的学术不做详细介绍,但是我们要知道的是他除了在肿瘤代谢方面的杰出研究成果之外,在mTOR信号通路调控和Hippo信号研究通路都做出了一流的研究,BioArt以后会专文介绍管老师的科研生涯,敬请读者关注!最后提一句,管老师还是首位获得美国麦克阿瑟天才奖的华人生物学家。

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