3篇Nature連發！發現抑制多種癌症形成的關鍵蛋白，有望開發新療法_風聞

細胞週期蛋白D（CyclinD，細胞週期蛋白D1、D2和D3）是驅動細胞分裂的細胞週期核心引擎的關鍵組成部分。目前，有關CyclinD的研究已經取得一定進展，人們對CyclinD 的特性及功能也有了初步瞭解，認識到CyclinD在細胞週期調控和腫瘤的發生發展過程中起着關鍵而多樣的作用。但是，對CyclinD的研究仍需深入，以期闡明腫瘤的發病機制，為腫瘤的治療提供更有效的方法。

近期，頂尖學術期刊《自然》在線連發三篇論文。這3篇論文裏，由美國、意大利、丹麥科學家領導的多支團隊從不同角度切入，找到了一個叫做AMBRA1的關鍵調控蛋白，並介紹了其調控週期蛋白D的機制，以及對癌症治療的潛在意義。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03445-y

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03474-7

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03422-5

在細胞分裂過程中，細胞週期蛋白D結合並激活細胞週期蛋白依賴性激酶4（CDK4）和細胞週期蛋白依賴性激酶6（CDK6）。這些細胞週期蛋白-CDK4/6激酶給腫瘤抑制蛋白RB1、RBL1和RBL2添加磷酸基團，從而推動了細胞分裂。細胞週期蛋白D-CDK4/6激酶的不受控制激活是許多類型癌症發展的驅動力。

隨着CDK4/6激酶的小分子抑制劑進入臨牀，人們對細胞週期蛋白D-CDK4/6生物學的興趣越來越大。這些化合物的臨牀試驗結果令人矚目，證明它們有能力延長乳腺癌患者的生存時間。CDK4/6抑制劑帕博西尼（palbociclib）、瑞博西尼（ribociclib）和阿貝西利（abemaciclib）被批准用於治療晚期乳腺癌。此外，這些藥物正在幾百項臨牀試驗中對許多不同類型的癌症進行測試。

細胞週期蛋白D的破壞，圖片來自Nature, 2021, doi:10.1038/d41586-021-00889-0。

自20世紀90年代發現細胞週期蛋白D以來，人們對其進行了深入研究，但它們在細胞週期中是如何降解的仍有爭議。細胞週期蛋白D的羧基末端區域磷酸化觸發這些蛋白被稱為泛素-蛋白酶體系統的降解途徑所破壞。在這個系統中，由泛素激活酶（E1）、泛素結合酶（E2）和泛素連接酶（E3）組成的級聯活性，通過一個稱為泛素化的過程，將幾個稱為泛素的小蛋白分子鏈附着在目標蛋白上。然後，這些泛素化的蛋白註定要在一種稱為蛋白酶體的蛋白複合物中遭受降解。

最大的E3家族是cullin–RING連接酶（CRL）。CRL由一個cullin蛋白、一個RING蛋白（可招募E2）、一個銜接蛋白和許多不同的底物受體蛋白之一組成，其中底物受體蛋白負責將目標蛋白招募到E3複合物中。稱為CRL1的E3的幾種底物受體被認為與細胞週期蛋白D1的降解有關，而其他的E3底物受體則被認為靶向細胞週期蛋白D2和D3以便它們隨後遭受蛋白酶體破壞。

此外，細胞週期蛋白D1被後期促進複合物（anaphase-promoting complex）泛素化，這種後期促進複合物是一種靶向幾種細胞週期蛋白的E3複合物。與這些模型相反，其他研究則指出細胞週期蛋白D1的水平和穩定性不受這些蛋白耗竭的影響，這表明一些其他的E3調節着細胞週期蛋白D1的降解。

這三項新的研究指出細胞週期蛋白D1、D2和D3被稱為CRL4的E3泛素化，隨後遭受蛋白酶體降解，CRL4使用蛋白AMBRA1作為它的底物受體。人們已經知道AMBRA1在調節自噬方面具有關鍵作用，其中自噬是細胞降解受損細胞器或蛋白聚集物的過程。AMBRA1也已被確定為E3（包括CRL4）的底物受體。

通過一系列實驗，利用包括細胞生物學、分子生物學和發育遺傳學等領域的技術，這三項新的研究證實在正常細胞、癌細胞以及發育中的小鼠胚胎中，AMBRA1的耗竭會導致細胞週期蛋白D水平的上升。與具有正常數量AMBRA1的細胞相比，這導致了更大的RB1磷酸化和更多的細胞增殖。

第三項研究還顯示，AMBRA1的耗盡會提高轉錄因子蛋白N-MYC的水平。這些研究人員之前已發現，AMBRA1調節一個相關的轉錄因子---c-MYC---的穩定性和活性。MYC家族蛋白可以上調細胞週期蛋白D和細胞週期蛋白E的表達，從而加速細胞週期的進展。

這些觀察表明，AMBRA1可能作為一種腫瘤抑制蛋白發揮作用。事實上，只有AMBRA1編碼基因的一個功能性拷貝的小鼠比具有這個基因的兩個功能性拷貝的正常小鼠有更高的肺部、肝臟和腎臟腫瘤發生率。這三項新的研究提供了令人信服的證據來支持這一觀點。

這些研究人員證實，AMBRA1基因在人類癌症中發生了突變。正如預期的那樣，鑑於AMBRA1能夠促進細胞週期蛋白D1的降解，他們報告説，人類腫瘤中AMBRA1的水平與細胞週期蛋白D1的水平呈反比關係。

腫瘤中AMBRA1的低水平與癌症患者的預後不佳有關。不論是AMBRA1在人類腫瘤細胞系中的實驗性失活，還是在小鼠細胞中經過基因改造後發生促癌突變而導致的AMBRA1實驗性失活，均會增加這些細胞在注射到小鼠體內後的腫瘤形成潛力。

此外，在Kras基因突變版本驅動的肺癌小鼠模型中，AMBRA1的基因剔除促進了腫瘤的形成，而且這些AMBRA1缺乏的腫瘤具有高於正常水平的細胞週期蛋白D。總之，這些研究表明，AMBRA1在正常情形下抑制細胞增殖，主要是通過阻止細胞週期蛋白D達到較高的水平。

第一項研究和第二項研還證實，AMBRA1的丟失以及細胞週期蛋白D的同時增加，導致人類腫瘤細胞對CDK4/6抑制劑的敏感性下降。有趣的是，這些作者報告説，在AMBRA1缺失的細胞中，細胞週期蛋白D1不是主要與CDK4/6合作，而是與細胞週期蛋白依賴性激酶CDK2形成一種具有催化活性的複合物，而且這種複合物對CDK4/6抑制劑不敏感。

在正常細胞週期中，在營養剝奪和基因毒性脅迫後，AMBRA1的缺失可調節細胞週期蛋白D。圖片來自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03445-y。

第三項研究還表明，AMBRA1的喪失以及由此產生的細胞週期蛋白D（也可能還有其他蛋白，如c-MYC）的上升，引發了DNA損傷和複製壓力（replication stress），這伴隨着一種叫做CHK1的細胞週期檢查點激酶（cell cycle checkpoint kinase, CHK）的激活。重要的是，這些作者報告説，AMBRA1缺失的癌細胞對CHK1抑制劑治療不敏感，這表明存在靶向AMBRA1缺失腫瘤的潛在治療機會。

這些令人興奮的結果提出了幾個關鍵問題。例如，AMBRA1水平的下降是否是人類腫瘤對CDK4/6抑制劑產生現有抵抗性和獲得性抵抗性的基礎？隨着AMBRA1的耗盡，細胞週期蛋白D的上升是否是導致對CDK4/6抑制劑產生抵抗性的唯一因素？

對乳腺癌患者臨牀試驗的分析顯示，編碼細胞週期蛋白D1的基因的額外拷貝的存在，或腫瘤中細胞週期蛋白D1信使RNA或蛋白的水平，與患者對CDK4/6抑制劑的反應之間沒有關聯。

事實上，第二項研究發現，經驅動後細胞週期蛋白D表達量高於正常水平的人類癌細胞並不完全再現AMBRA1耗盡時觀察到的抑制劑抵抗性特徵。也許其他受到AMBRA1調控的蛋白，如可以上調細胞週期蛋白E並激活細胞週期蛋白E-CDK2複合物的c-MYC，對治療抵抗性有貢獻。

第一項研究和第二項研究觀察到在AMBRA1耗盡的細胞中形成抵抗CDK4/6抑制劑的細胞週期蛋白D-CDK2複合物，這很耐人尋味。這種“非典型”複合物以前被發現是對CDK4/6抑制產生獲得性抵抗性的基礎。這些作者推測，AMBRA1耗盡在某種程度上促進了這些細胞週期蛋白D-CDK2複合物的形成，這與細胞週期蛋白D水平的升高一起，導致了對CDK4/6抑制劑的抵抗性。第三項研究提出的一個特別令人興奮的可能性是，CHK1抑制劑可用於治療AMBRA1水平較低的對CDK4/6抑制劑有抵抗性的腫瘤。

小鼠胚胎中的AMBRA1缺失導致細胞週期蛋白D水平升高

對AMBRA1在人類癌症中的作用開展進一步研究是有必要的。AMBRA1的腫瘤抑制功能主要是由細胞週期蛋白D1或c-MYC介導的，還是也由其他靶標介導的？不再產生RB1的腫瘤細胞不需要細胞週期蛋白D來促進細胞週期進展，因此，如果細胞週期蛋白D是AMBRA1的主要靶標，那麼預計在產生RB1的腫瘤中會觀察到AMBRA1的缺失。

此外，人類腫瘤中的AMBRA1缺失是否與影響細胞週期蛋白D羧基末端的突變相互排斥仍有待確定，這可能會使細胞週期蛋白D對AMBRA1介導的降解產生抵抗性。

另一個未解決的問題是，正如第二項研究報告的那樣，為何AMBRA1的低表達與高水平的細胞週期蛋白D1相關，並與具有特定類型基因改變（如Kras突變）的肺部腫瘤的不良生存率相關。對於那些具有編碼EGFR蛋白的基因突變版本或具有野生型Kras的肺部腫瘤則沒有觀察到這種影響。

不管這些問題的答案如何，這三項新的研究令人印象深刻，改善了科學家們對細胞週期進展機制的理解。

參考資料：

1.Daniele Simoneschi et al. CRL4AMBRA1 is a master regulator of D-type cyclins. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03445-y.

2.Andrea C. Chaikovsky et al. The AMBRA1 E3 ligase adaptor regulates the stability of cyclin D. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03474-7.

3.Emiliano Maiani et al. AMBRA1 regulates cyclin D to guard S-phase entry and genomic integrity. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03422-5.

4.Charupong Saengboonmee et al. The path to destruction for D-type cyclin proteins. Nature, 2021, doi:10.1038/d41586-021-00889-0.