楊雪瑞研究組在The EMBO Journal報道RNA異常剪接激活乳腺癌細胞內(nèi)免疫反應(yīng)及其分子機制
腫瘤細胞的免疫反應(yīng)活性在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中扮演了重要角色，其直接影響腫瘤微環(huán)境塑造及腫瘤細胞的免疫原性，是決定腫瘤免疫治療敏感性與耐受性的重要因素。2018年8月29日，清華大學生命學院楊雪瑞研究組在The EMBO Journal發(fā)表文章Function of HNRNPC in breast cancer cells by controlling the dsRNA-induced interferon response（http://dx.doi.org/10.15252/embj.201899017），首次報道調(diào)控RNA剪接的關(guān)鍵蛋白HNRNPC是抑制乳腺癌細胞干擾素信號通路并維持腫瘤細胞快速增殖的核心蛋白。抑制HNRNPC表達量導致乳腺癌細胞內(nèi)源雙鏈RNA（endogenous dsRNA）的大量積聚，進而激活一系列下游免疫反應(yīng)，產(chǎn)生顯著的抑癌效果。本研究工作首次將RNA異常剪接與雙鏈RNA激活的干擾素信號通路聯(lián)系在一起，提出了內(nèi)源RNA調(diào)控腫瘤細胞免疫反應(yīng)活性的新機制。
核不均一核糖核蛋白C（HNRNPC）是細胞中廣泛表達的一個重要RNA結(jié)合蛋白，大量文獻報道其對RNA剪接過程中內(nèi)含子（intron）的剪切與外顯子（exon）的正確組裝起著關(guān)鍵作用。HNRNPC在多種類型的腫瘤細胞中高表達，但其維持腫瘤細胞生理功能的作用及分子機制尚不明確。在此前的工作中，楊雪瑞實驗室對The Cancer Genome Atlas (TCGA) 中大規(guī)模乳腺癌隊列轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行了深入挖掘，結(jié)果顯示HNRNPC有調(diào)控mRNA代謝與降解的功能。在此線索的指引下，他們在乳腺癌細胞MCF7和T47D中進行了一系列實驗研究，發(fā)現(xiàn)敲低HNRNPC激活了腫瘤細胞中I型干擾素的產(chǎn)生，導致細胞內(nèi)強烈的免疫反應(yīng)，顯著抑制了細胞增殖與腫瘤生長。
細胞內(nèi)干擾素反應(yīng)有多種激活方式，其中最主要的誘因是來自病原微生物（病毒、細菌等）的外源RNA或DNA。在特定條件下，來源于細胞自身的內(nèi)源RNA或DNA也可以激活干擾素信號通路。在腫瘤免疫學領(lǐng)域，近年來有多項重要工作發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞基因組中的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（ERV）可以被一些抗腫瘤藥物（如DNMT抑制劑或CDK4/6抑制劑）激活，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可以形成雙鏈RNA，誘發(fā)腫瘤細胞內(nèi)的干擾素信號。更重要的是，腫瘤細胞內(nèi)免疫反應(yīng)的激活可以大幅提高腫瘤免疫治療（如PD-1/PD-L1抑制劑）的有效性（Chiappinelli, Cell 2015; Goel, Nature 2017; Roulois, Cell 2015）。
楊雪瑞實驗室的三位博士生武玉勝、趙文溦與劉陽發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌細胞中敲低HNRNPC所導致的免疫反應(yīng)同樣由細胞內(nèi)源雙鏈RNA導致。但通過對這些雙鏈RNA的深度測序分析，他們意外地發(fā)現(xiàn)這些雙鏈RNA與以上文獻中介紹的ERV無關(guān)，而是主要來源于基因組中包含Alu重復序列的大量內(nèi)含子序列。
基因組中包含大量Alu或Alu片段的重復序列，蛋白編碼基因的內(nèi)含子區(qū)同樣有大量Alu。正常的RNA剪接機制會將這些Alu內(nèi)含子排除在成熟的mRNA分子之外，而HNRNPC在此過程中扮演了重要的把關(guān)者的角色。楊雪瑞實驗室的研究證明當HNRNPC表達量不足以維持正常的RNA剪接時，許多Alu內(nèi)含子序列會保留在成熟的mRNA分子中并被轉(zhuǎn)運出核。這些mRNA不能被正常翻譯，因此會激活無義介導的RNA降解（nonsense-mediated decay，NMD）。Alu序列在這些mRNA中往往以雙鏈RNA結(jié)構(gòu)的形式存在，而這些雙鏈RNA結(jié)構(gòu)通常比較難于被降解，因此當其所在的異常mRNA分子被各種內(nèi)切及外切酶處理以后，Alu序列被保留下來，成為細胞內(nèi)獨立存在的小片段雙鏈RNA并大量累積，最終直接誘發(fā)了腫瘤細胞內(nèi)干擾素信號通路，激活下游免疫反應(yīng)。
綜上所述，楊雪瑞課題組這一研究首次發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞內(nèi)的RNA異常剪接可以產(chǎn)生一類新的具有免疫活性的內(nèi)源雙鏈RNA，并通過深入的實驗研究與數(shù)據(jù)分析詳細闡明了該過程復雜的分子機制。相對于正常細胞，腫瘤細胞為實現(xiàn)快速增殖、分化等功能，需要維持快速的基因轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程，因此對RNA生成過程的質(zhì)控提出了更高的要求。楊雪瑞實驗室的研究詳細闡明了HNRNPC作為RNA剪接過程的關(guān)鍵質(zhì)控機制對于腫瘤細胞的重要意義。更重要的是，研究證明了對該質(zhì)控過程的干擾導致了一個出人意料的結(jié)果：腫瘤細胞內(nèi)免疫反應(yīng)的激活。這一研究成果也啟發(fā)了更多腫瘤免疫相關(guān)的科學問題，有望為提高腫瘤免疫治療有效性的策略提供全新的思路。
研究成果示意圖
清華大學生命科學學院楊雪瑞研究員為本文的通訊作者。CLS項目博士生武玉勝、清華大學生命學院博士生趙文溦、PTN項目博士生劉陽為本文共同第一作者。本研究由國家重點研發(fā)計劃“精準醫(yī)學研究”重點專項、國家自然科學基金委、清華-北大生命科學聯(lián)合中心、清華大學自主科研項目提供經(jīng)費支持。清華大學蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心基因測序平臺、生物計算平臺、shRNA文庫、細胞功能與影像平臺及實驗動物中心對本課題的研究提供了大力支持。
文章鏈接：http://emboj.embopress.org/content/early/2018/08/29/embj.201899017
參考文獻：
Chiappinelli, K.B., Strissel, P.L., Desrichard, A., Li, H., Henke, C., Akman, B., Hein, A., Rote, N.S., Cope, L.M., Snyder, A., et al. (2015). Inhibiting DNA Methylation Causes an Interferon Response in Cancer via dsRNA Including Endogenous Retroviruses. Cell 162, 974-986.
Goel, S., DeCristo, M.J., Watt, A.C., BrinJones, H., Sceneay, J., Li, B.B., Khan, N., Ubellacker, J.M., Xie, S., Metzger-Filho, O., et al. (2017). CDK4/6 inhibition triggers anti-tumour immunity. Nature 548, 471-475.
Roulois, D., Loo Yau, H., Singhania, R., Wang, Y., Danesh, A., Shen, S.Y., Han, H., Liang, G., Jones, P.A., Pugh, T.J., et al. (2015). DNA-Demethylating Agents Target Colorectal Cancer Cells by Inducing Viral Mimicry by Endogenous Transcripts. Cell 162, 961-973.
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