Dev Cell | 南方医科大学白晓春/邹志鹏团队蛋白组学揭示骨肉瘤发生的新机制

 

骨肉瘤 (osteosarcoma, OS) 生长迅速，高度恶性，好发于儿童和青少年，这一特征提示了长骨快速生长期中成骨前体细胞快速增殖和OS起源的潜在关系。OS具有极度异倍体性、微核、染色体碎裂等细胞遗传学特征，但驱动基因尚不清楚，阻碍了靶向药物的研发。目前研究得最透彻的是重要抑癌基因TP53和Rb的缺失或癌基因MDM2/4的扩增。

 

然而，这些基因的突变不能完全解释OS的细胞遗传学特征，p53的突变仅仅增强了肿瘤的易感性，最终的肿瘤发生尚需其他基因的进一步突变，即“二次打击”。因此，TP53、Rb、MDM2/4等并非OS特异性的单一驱动基因。相应地，已报道的原发性OS模型均成瘤较晚。TP53和Rb双敲除小鼠至4月龄 (约对应于人30岁) 方始成瘤，远迟于儿童OS的对应始发年龄 (5-7岁)。因此，现有的小鼠原发性OS模型不能准确模拟儿童OS的生长特征。发现新的OS驱动基因并探索靶向治疗的新方案是亟需解决的关键科学问题。

 

近日，南方医科大学基础医学院白晓春、邹志鹏研究团队在OS的发生机制研究中取得连续性进展。研究成果以“Loss of RanGAP1 drives chromosome instability and rapid tumorigenesis of osteosarcoma” 为题，于Developmental Cell 杂志上在线发表。这是继上篇 (Dev Cell | 南方医科大学白晓春/邹志鹏团队4D蛋白质组学揭示溶酶体调控间充质干细胞成骨分化的机制) 文章后，又一利用蛋白组学技术阐述骨相关疾病的经典案例。

 

南方医科大学附属东莞医院博士后宫妍、基础医学院博士生邹世添和邓代昭、第三附属医院脊柱骨科王亮教授为并列第一作者。景杰生物为该研究提供了蛋白质组学分析技术支持。

 

 

该研究团队基于GEO、TCGA、TARGET等数据库发现染色体动粒相关基因RanGAP1在OS中普遍性表达降低。在成骨前体细胞中敲除RanGAP1导致小鼠于出生后10天即出现OS，其始发年龄、位置、及细胞遗传学特征均高度接近于儿童OS。RanGAP1缺失导致TOP2A的泛素化降解，阻碍了姐妹染色单体的解缠绕；纺锤体组装检测点过度激活，延迟了姐妹染色单体的分离。

 

 图1 RanGAP1^OP KO小鼠都自发地出现了OS

 

上述双重因素进一步导致染色体极度异倍体性-微核-染色体碎裂。在缺乏p53热点突变的情况下，Chr1q的碎裂导致一系列促癌突变：1）激活MDM4/MDM2以降解p53；2）Rb1表达降低；3）PI-3K/Akt激活，招致DNA损伤修复检测点的失活和肿瘤快速发生。那么，RanGAP1缺失是如何驱动CIN和异倍体的机制呢？

 

为了探索RanGAP1缺失驱动CIN的分子机制，研究人员利用蛋白组学技术等实验发现了RanGAP1可以作为一种支架蛋白来招募参与控制有丝分裂保真度和染色体稳定性的因子。在快速增殖的成骨前体细胞，RanGAP1的缺失通过KNL过度磷酸化和TOP2A的降解引起有丝分裂后期的纺锤体装配检测点 (spindle assembly checkpoint, SAC) 失控和 CIN。最后，针对RanGAP1及其SAC靶标对源于OS病人的移植瘤和RanGAP1OP KO骨肉瘤小鼠进行了治疗。

 

 

图2 蛋白组分析发现RanGAP1可防止CDH1介导的有丝分裂中的Top2a降解，以保护染色单体脱落

 

本研究首次揭示RanGAP1缺失导致有丝分裂时姐妹染色单体缠绕和分离错误，从而快速驱动OS发生；首次发现肿瘤发生中纺锤体组装检测点 (spindle assembly checkpoint, SAC) 交互调控DNA损伤检测点的机制。相应地，同时抑制TOP2A降解及SAC过度激活可有效地抑制病人来源的移植肿瘤 (PDTX) 的生长，提示靶向RanGAP1及其下游通路对于OS的防治具有潜在的应用前景。

 

该研究团队还发现RanGAP1在其他染色体碎裂发生率较高的肿瘤，例如神经胶质瘤多型性 (glioblastoma multiforme)、急性髓系白血病 (对化疗不敏感亚型, induction failure) 及多种复发型肿瘤中表达降低。RanGAP1缺失是否在这些肿瘤中驱动染色体碎裂和肿瘤发生尚需进一步研究。

 

 

图3 研究机制图解

 

 

参考文献

1. Yan Gong, et al. 2022. Loss of RanGAP1 drives chromosome instability and rapid tumorigenesis of osteosarcoma. Developmental Cell.

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