一作解读 | 季红斌课题组Nature Cancer揭示小细胞肺癌化疗耐药的新机制

孟想成真

导读
小细胞肺癌约占肺癌的15％，是所有肺癌亚型中恶性程度最高、预后最差的亚型，其5年生存率只有5%。从上世纪七十年代开始，化疗特别是依托泊苷联合顺铂（E/P方案）已经成为临床上治疗小细胞肺癌的首选方案。然而，尽管化疗一开始疗效显著，约80%局限期患者和几乎全部的广泛期患者在治疗一年内地出现肿瘤顽固性耐药和恶性进展。因此，揭示其化疗耐药的机制具有重要的临床科学意义，将有助于改进耐药后的治疗策略，为患者带来帮助。

甲羟戊酸途径（Mevalonate pathway）是以乙酰辅酶A为原料合成异戊二烯焦磷酸和二甲烯丙基焦磷酸的一条代谢途径，存在于所有高等真核生物，也是胆固醇合成的必经步骤。甲羟戊酸途径下游参与细胞很多重要功能，比如胆固醇合成、线粒体功能、蛋白的异戊二烯化修饰以及铁死亡途径。其中下游代谢产物香叶基香叶基二磷酸（GGPP）可以香叶基香叶基化修饰蛋白，属于异戊二烯类修饰，该修饰对于小G蛋白上膜有着非常重要的作用。目前尚不清楚甲羟戊酸代谢途径在小细胞肺癌化疗耐药过程中的作用。


4月21日，国际学术期刊Nature Cancer在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）季红斌研究组的研究成果：“Therapeutic targeting of the mevalonate–geranylgeranyl diphosphate pathway with statins overcomes chemotherapy resistance in small cell lung cancer”。该研究揭示了甲羟戊酸（MVA）- 香叶基香叶基二磷酸（GGPP）代谢途径在小细胞肺癌化疗耐药中的功能及其机制。


研究人员首先利用临床样本建立了小细胞肺癌的人源肿瘤异种移植模型(PDX)和小细胞肺癌细胞系的体内移植瘤模型，之后模拟小细胞肺癌临床方案给予化疗药物处理，通过不断的化疗药物处理，最终建成小细胞肺癌化疗耐药小鼠模型。通过免疫组化检测肿瘤细胞的凋亡标志物，确定了耐药模型的建立。同时在体外建立化疗耐药的细胞系，以便后续对耐药机制的开展研究（图1）。

图1 建立小细胞肺癌的化疗耐药模型

在此基础上，研究人员利用配对的化疗敏感和化疗耐药细胞，通过美国食品及药物管理局(FDA)认证的1971个小分子药物库以及256个代谢类药物库进行筛选，结果显示多个他汀类药物都可以显著抑制化疗耐药小细胞肺细胞的存活。不同浓度的处理也证明了这点（图2）。

图2 FDA药库筛选实验发现他汀抑制小细胞肺癌化疗耐药细胞的存活

进而通过回补实验，发现甲羟戊酸途径的甲羟戊酸(MVA)或其下游中间代谢物香叶基香叶基焦磷酸(GGPP)可以有效阻断他汀类药物对化疗耐药小细胞肺癌的杀伤，而不是其它代谢支路产物，说明他汀主要影响了耐药细胞的MVA-GGPP途径。通过shRNA对下游小G蛋白进行筛选，发现GGPP影响众多小G蛋白，主要影响了和自噬溶酶体形成相关的小G蛋白RAB7A。深入地分析揭示，他汀类药物主要是通过干扰甲羟戊酸代谢途径中香叶基香叶基焦磷酸的产生，从而阻滞了香叶基香叶基焦磷酸对小G蛋白RAB7A的香叶基香叶基化修饰，使其无法上膜发挥正常功能，进而抑制了自噬体与溶酶体的融合，引发自噬流障碍，最终导致化疗耐药细胞的ROS水平积累，引起细胞凋亡（图3）。

图3 他汀通过GGPP-RAB7A-自噬途径诱导细胞凋亡

进一步研究结果发现，香叶基香叶基二磷酸合成酶GGPS1在化疗耐药的PDX肿瘤中呈现高表达。相应地，化疗耐药肿瘤的MVA-GGPP含量也是更高。在小鼠模型上，他汀类药物单独或者联合化疗处理都可以显著抑制高表达GGPS1的化疗耐药肿瘤PDX的生长（图4）。

图4 他汀抑制高表达GGPS1的PDX肿瘤生长

此外，临床上，研究人员通过对病人样本的免疫组化分析和TCGA数据库分析，也发现高表达GGPS1的小细胞肺癌患者预后往往更差。而与胆固醇合成相关的SQLE和FDFT1和患者预后没有关联性。更重要的是，三例化疗耐药的小细胞肺癌患者在接受化疗联合辛伐他汀治疗后病情都得到不同程度的缓解（图5）。

图5 GGPS1的表达水平与小细胞肺癌患者预后的相关性

综上所述，该研究建立了小细胞肺癌化疗耐药的小鼠模型，发现部分小细胞肺癌依赖于MVA-GGPP代谢途径。对这类高表达GGPS1的化疗耐药肿瘤，给予他汀药物的处理，会引起细胞的自噬障碍，进而上调ROS水平，诱导细胞的凋亡（图6）。

图6 他汀类药物通过靶向MVA-GGPP代谢途径克服小细胞肺癌化疗耐药的模式图

分子细胞卓越中心博士后郭晨晨、博士生万睿婕和上海同济大学附属肺科医院何雅億副主任医师为该论文共同第一作者，季红斌研究员和胡良副研究员为该论文共同通讯作者。该研究还获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中科院战略性先导科技项目等资助。





综上，在该项研究中，研究者发现：
1建立了小细胞肺癌化疗耐药的小鼠模型。
2
揭示了甲羟戊酸代谢在小细胞肺癌化疗耐药中的重要作用。
3
提出利用他汀靶向MVA-GGPP代谢途径可以作为高表达GGPS1的小细胞肺癌化疗耐药肿瘤的潜在治疗策略。

期刊：Nature Cancer

影响因子：23.013 即时影响因子
客户单位：中国科学院分子细胞科学卓越创新中心
文章作者：中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士后郭晨晨、博士生万睿婕和上海同济大学附属肺科医院何雅億副主任医师
通讯作者：中国科学院分子细胞科学卓越创新中心季红斌研究员和胡良副研究员

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