2022-02-23

NAT REV |液-液相分离驱动癌症发展

原创 榴莲不酥 图灵基因 

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：榴莲不酥

IF=60.716

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点：

癌症是受生化途径的控制，摆脱了正常稳态平衡的调节范围。正常稳态平衡是通过精确时空调节来维持的。液-液相分离（LLPS）形成生物分子凝聚物已成为细胞中生物活动时空协调的普遍机制。生物分子凝聚物被广泛观察到直接调节涉及癌细胞病理学的关键细胞过程，并且LLPS的失调是隐性的致癌活性驱动因素。

2022年1月7日，在Nature Reviews Cancer杂志上发表了一篇名为“Liquid–liquid phase separation drives cellular function and dysfunction in cancer”的文章，描述了液相-液相分离（LLPS）生物分子凝析物的形成是近年来细胞内生物活动时空协调的一种广泛机制，并介绍了LLPS如何塑造癌细胞的生化景观。

 

细胞过程在空间和时间上紧密协调，以确保适当的生物学功能。破坏精确的时空调节可能会产生毁灭性的病理后果，这是获得疾病标志的基础。因此，揭示生物通路中的时空协调机制可以阐明癌症通路破坏的分子基础。时空调控通常是通过隔离具有不同生化环境的离散亚细胞区室内的生物反应来实现的。目前越来越多的亚细胞区室是通过高阶分子组装产生的，这些分子组装被称为无膜细胞器、液滴、斑点、颗粒，以及最近通过LLPS形成的生物分子凝聚物。生物分子凝聚物缺乏经典细胞内细胞器的脂质膜，LLPS在控制核功能、调节细胞质量控制和组织生化网络中的作用，强调了失调的LLPS作为癌症病理学一种神秘驱动力的新兴观点。

LLPS描述了均相溶液自发分解成两个或多个不同相的过程，其生物学意义由细胞中发现的许多无膜结构证明：这些球体迅速形成和溶解，可以通过剪切流融合和变形，并表现出动态的内部组织，生物分子LLPS是由多价或参与多种弱相互作用的能力驱动的，这些相互作用会迅速形成、破裂和重组。蛋白质通过串联结合模块以及通过重复基序在低序列复杂度范围内实现多价，通常散布在未折叠的环之间或本质上无序的区域内以及更传统的大分子复合物的固定化学计量。总之，这些特征通过扩展分子相互作用的范围来促进类似液体的行为，防止它们变得过于密集且无法动态重排。多价产生低聚复合物生长降低了它们的溶解度，同时促进了额外的相互作用，这种正反馈回路驱动在临界阈值浓度下发生类似开关的相变。图1：液-液相分离和生物分子凝聚体的基本原理。

LLPS在核功能的调节中发挥着关键作用。许多转录调节因子具有大的内在无序区域（IDR），允许它们经历相分离并在超增强剂位点形成生物分子凝聚物。TFs和其他调节蛋白在相邻增强子位点的初始结合通过其IDR介导的多价相互作用触发了其他因子的成核，这种短暂的中间体迅速引起相变，产生驱动基因激活的转录凝聚物。因此，LLPS被认为在超级增强剂对细胞同一性基因的稳健、类似开关的调节中起关键作用。由癌基因激活诱导的高水平复制压力和过度转录导致基因组损伤的累积。PARP1的结合和DSB位点的PAR链合成导致无序FET家族蛋白通过其RGG重复序列募集，从而形成相分离的缩合物。类似地，53BP1结合DSB位点附近的核小体蛋白，导致通过53BP1寡聚化形成相分离的缩合物。值得注意的是，已观察到53BP1凝聚物融合，这表明DSB在细胞中聚集的可能机制。由于本质上无序的组蛋白尾部驱动的多价相互作用，染色质经历了LLPS。染色质的LLPS可以通过组蛋白尾部的翻译后修饰来调节，这会破坏凝聚物的形成。添加结合乙酰化组蛋白尾部的BRD4可恢复乙酰化染色质的LLPS。产生的凝聚物不能与未修饰的染色质凝聚物混合，产生两个不同的相，类似于细胞核中不同的染色质结构域。图2：LLPS对核功能的调节。

 

自噬对细胞存活至关重要，不仅作为质量控制途径，而且作为营养缺乏条件下代谢途径的原材料来源。因此，自噬与肿瘤发生具有复杂的关系，通过消除癌前细胞参与肿瘤抑制，同时通过维持肿瘤生长对晚期肿瘤的存活至关重要，自噬成分的突变，包括ULK1/2已在各种癌症中检测到，尽管它们在驱动肿瘤发生中的作用存在争议，然而自噬正在成为癌症治疗的一个有希望的目标，进一步研究LLPS与癌症自噬之间的联系可能会揭示重要的新见解。图3：LLPS在细胞质量控制中的作用。

癌细胞的一个典型特征是代谢失调。众所周知Warburg效应是近一个世纪前提出来的，用于描述肿瘤依赖糖酵解而不是有氧呼吸来代谢葡萄糖。Warburg效应不仅仅是能量失衡，现在更被理解为广泛的代谢重编程的标志，它改变了生物合成途径以满足不受控制的增殖的需求。研究表明cGAS与dsDNA结合可在体外和活细胞中诱导cGAS-DNA生物分子凝聚物的LLPS。cGAS通过其催化核心及其带正电荷的无序N末端结构域介导的多价相互作用以不依赖序列的方式结合DNA。LLPS调节信号通路功能如图四所示。研究表明，cGAMP结合ER跨膜干扰素基因受体刺激因子（STING），然后进入高尔基体，激活TBK1和IKK，触发I型干扰素和促炎细胞因子的产生。最近STING发现LLPS形成含有内质网的球形凝聚物，可缓冲cGAMP并抑制免疫反应。因此揭示LLPS在调节cGAS-STING信号传导中所起的双重作用对于证明有效靶向癌症中的这一途径至关重要。图4：LLPS调节信号通路功能。

研究表明，通过致病性SHP2突变体和EWS-FLI1癌基因融合都可获得LLPS。SHP2的激活突变和失活突变都能通过改变SHP2构象来触发癌基因信号。活化SHP2突变体形成的凝聚物通过其固有的高PTPase活性诱导RAS-ERK途径的过度活化。在尤因肉瘤中，尤因肉瘤RNA结合1（EWSR1）的N端固有无序区与白血病整合1（FLI1）的C端DNA结合域融合。EWS-FLI1缩合物紧密结合GGAA微卫星，同时还强烈募集BRG1-BRM相关因子(BAF)染色质重塑复合物，产生开放的染色质位点，作为促肿瘤基因表达的超级增强剂。

在另一方面，致癌融合也可导致LLPS的病理性损失。WtPKA-Cα和DNAJB1-PKA-Cα在形成具有PKA-R亚基的全酶、经过3',5'-环AMP（cAMP）诱导后活化和磷酸化底物方面表现相似。然而DNAJB1-PKA-Cα完全消除了RIαLLPS，从而破坏了（PDE）对cAMP信号的划分，导致了致瘤信号的激活。此外，UTX突变体丢失LLPS也会扰乱染色质的调节。UTX在癌症中经常发生突变，最常见的变化是核心IDR开始附近的无义突变。这些突变的UTX变体（UTX*）不能与MLL4和p300相分离，导致染色质状态失调和肿瘤发生。图5：LLPS作为致瘤驱动因子的失调。

将LLPS置于定义癌症标志的多个过程的直接控制中具有重大意义。研究团队表示目前对于缩合物如何发生生化反应、缩合物与癌细胞病理生理学之间的精确功能联系却常常难以捉摸，弥补这一差距需要扩展用于研究生物分子凝聚物的工具。通过新技术对凝聚物的分子功能进行更深入的研究，最终将与治疗失调的LLPS相交提供信息。同时研究团队希望对LLPS的研究能够加深对癌症病理机制的理解，并开启新的治疗方式。

作者介绍

Jin Zhang，芝加哥大学药理学系教授，美国医学和生物工程学会院士，曾于2015年获得国家癌症研究所杰出研究员奖，2019年国际化学生物学学会首届ICBS全球讲座奖，并于2021年获得诺华生物医学研究所全球学者奖。研究方向主要为信号转导的时空调控，这种时空调控的分子机制和功能作用，采用“原生生物化学”的方法。这使得研究能够在细胞时间和空间的框架内解开生命过程的化学机制。最终目标是了解细胞，生命的基本单位，如何感知变化的环境，并协调特定的反应来执行生命过程。Jin Zhang因2020年发现不受控制的“cAMP”有助于引发罕见的肝癌而被广泛报道。

参考文献

Mehta S, Zhang J. Liquid-liquid phaseseparation drives cellular function and dysfunction in cancer. Nat Rev Cancer.2022 Feb 11. doi: 10.1038/s41568-022-00444-7. Epub ahead of print. PMID:35149762.