2017年3月12日 星期日

鼻咽癌如何坐大?LMP1告訴你!

令人聞之色變的癌症,長期盤據十大死因之首;癌症究竟是怎麼產生的?又怎麼坐大?這些問題都是讓許多研究者孜孜不倦的課題。

癌症發生中有個很重要的階段就是血管增生(angiogenesis)。快速生長的癌細胞,如果沒有血液供應養分,生長的速度便會慢下來;而缺氧誘發因子-1(HIF-1)在這個過程中擔負重要的角色。當組織缺氧時,HIF-1會活化,在基因體中尋找下游具有 HRE (hypoxia-responsive element)序列的啟動子結合、啟動相關基因的轉錄。

HIF-1α 蛋白。圖片來源:Wiki

HIF-1是如何在缺氧時活化的?目前知道的是,HIF-1 由兩個蛋白質組成,HIF-1α 與 HIF-1β 。 HIF-1β 的表現量不受到氧氣濃度影響,但是HIF-1α 的表現就與氧氣濃度息息相關了。當氧氣濃度正常時,HIF-1α 蛋白會先與 pVHL蛋白結合,然後 PHD 蛋白在它的 ODDD 區域上進行羥基化,於是 HIF-1α 蛋白就被分解;在缺氧時則因為 PHD 蛋白活性下降、同時 pVHL 蛋白與 HIF-1α 蛋白的結合力也下降,於是 HIF-1α 蛋白就不會被分解,接著它就可以與 HIF-1β 蛋白結合,產生有活性的 HIF-1 ,然後便啟動帶有 HRE 序列的啟動子、最後血管就開始增生了。

對於 HIF-1 在缺氧時的作用已經相當了解,但它在正常氧氣濃度下,對血管增生扮演的角色則不是十分明白。尤其有些具有致癌性的病毒與 HIF-1 之間的互動,更是需要深入的了解。

慈濟大學李政偉老師的研究團隊,最近以鼻咽癌細胞為實驗模型,研究 EB病毒蛋白LMP1 (Latent membrane protein 1)如何與 HIF-1 一起攜手讓鼻咽癌坐大。

EB病毒。圖片來源:Wiki

EB病毒 (Epstein-Barr Virus)在1964年被發現,全世界有90%的人口都被它感染。目前已知這個病毒與幾種癌症有關,包括鼻咽癌(nasopharyngeal carcinoma,NPC)。過去的研究發現,EB病毒的 LMP1蛋白與它的致癌性有關,也已知它會使 HIF-1α 的蛋白質變多。李老師的研究團隊進一步發現:LMP1蛋白會讓 HIF-1α 的信息RNA(mRNA,messenger RNA) 穩定性提高。由於 mRNA 是細胞用來轉譯(translation)產生蛋白質的藍圖,當 mRNA 穩定性提高時,就有機會可以被轉譯產生更多蛋白質。

李老師的研究團隊怎麼發現 LMP1蛋白可以使 HIF-1α 的 mRNA 穩定性提高的呢?他們把有 LMP1蛋白的細胞與沒有 LMP1蛋白的細胞都用核糖核酸聚合酶(RNA polymerase II)的抑制劑處理,使新的 mRNA 無法合成,這麼一來看到的 mRNA 當然都是之前合成沒有被分解的。他們發現有 LMP1蛋白的細胞裡面 HIF-1α mRNA 的壽命,比沒有 LMP1蛋白的細胞長了一倍。接著測試六種核糖核酸去穩定因子,發現只有 TTP 與 PUM2 這兩個蛋白質會受到LMP1蛋白的抑制。

究竟LMP1是如何與 TTP 與 PUM2 這兩個蛋白質進行互動的?過去對 LMP1蛋白的結構分析發現,它包括了一個短短的胺基端、中間是六個跨膜的區域、與一個長長的羧基端;羧基端有三個活化區域,分別為 CTAR1、CTAR2、CTAR3。因為最有可能是在羧基端的三個活化區域,所以李老師的研究團隊便用刪除法,刪除掉其中一個或幾個活化區域的突變 LMP1 蛋白來進行測試。

結果發現 LMP1 蛋白是透過 CTAR1 與 CTAR3 ,來抑制 TTP 與 PUM2。他們發現,當他們以抑制 ERK1/2 途徑的抑制劑 U0126來處理後,TTP 與 PUM2 蛋白的量就增加了,顯示 LMP1 蛋白是透過 ERK1/2 途徑來抑制這兩個蛋白質。

而 TTP 與 PUM2 蛋白又是如何造成 HIF-1α 的 mRNA 穩定性降低的呢?李老師的研究團隊將 HIF-1α 的 mRNA 的 3' 端以分子生物學的方式弄短以後,找到了一段大約三十多個鹼基對的區域;當這段區域被拿掉以後,LMP1 蛋白便無法影響 HIF-1α 的 mRNA 穩定性了。

也就是說,LMP1 蛋白透過它位於羧基端的 CTAR1 與 CTAR3 來抑制兩個核糖核酸去穩定因子 TTP 與 PUM2,於是 HIF-1α 的 mRNA 減少分解,使得 HIF-1α 的蛋白質增加;而這個作用與 ERK1/2 信息傳導路徑有關。

更有意思的是, HIF-1α 還會自己調節自己的基因的轉錄。李老師的研究團隊在 HIF-1α 的啟動子上找到一段序列和 HRE 很像,顯示它可能會正向調節自己的表現;試驗的結果發現, HIF-1α 蛋白真的會跟這段序列結合,而且加入 LMP1 蛋白會讓 HIF-1α 與這段序列結合的更緊密!進一步試驗的結果也確認, HIF-1α 蛋白與這段序列的結合,的確會讓 HIF-1α 產生更多;而 LMP1 蛋白可以進一步提升這個效果。

過去只知道 LMP1 蛋白會使 HIF-1α 的蛋白質變多,李老師的研究團隊發現:LMP1 蛋白不但會讓 HIF-1α 的蛋白質變多,還會讓 HIF-1α 的 mRNA 穩定性提高,再加上 HIF-1α 蛋白與 LMP1 蛋白還可以正向調節自己的表現,於是 HIF-1 便在 LMP1 蛋白的幫助下愈來愈多、接著血管開始增生、於是癌細胞便得以日漸坐大了!

參考文獻:

W.-W. Sung et. al., 2016. Positive regulation of HIF-1 alpha expression by EBV oncoprotein LMP1 in nasopharyngeal carcinoma cells. Cancer Letters. 382 (2016) 21-31. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.canlet.2016.08.021

2017年3月9日 星期四

嗑鴉片的螞蟻

中國的鴉片煙館。圖片來源:Wiki

成癮(addiction)是一種特別的行為,人在藥物成癮後,往往會造成傾家蕩產、不惜偷搶拐騙也要取得讓他可以「過癮」的藥物。因此,科學研究一直都對於成癮這種行為非常感興趣。

不過,成癮只是人類專屬的行為嗎?在「共病時代」一書中,提到了狗也會上癮、小袋鼠也會上癮;上癮的狗焦急的尋找牠毒品的來源(甘蔗蟾蜍),上癮的小袋鼠冒著一定會醉倒的風險,為了過癮不惜闖入藥用罌粟田裡面吃個痛快。可見對藥物成癮並不是人類專屬,至少脊椎動物大概都有可能發生。

不過,無脊椎動物呢?

過去的一些研究發現,古柯鹼、咖啡可以影響蜜蜂的行為,而上癮的蜜蜂、果蠅與小龍蝦(crayfish)一樣會出現尋找藥物的行為(drug-seeking behavior)。是否還有其他的無脊椎動物會「上癮」呢?

研究團隊想到了螞蟻。過去對螞蟻的研究發現,螞蟻的確有對某些物質產生類似成癮的現象。日本紫灰蝶(Narathura japonica)的幼蟲便可以利用位於自己屁屁的蜜腺(dorsal nectary organ)的分泌物來控制螞蟻(Pristomyrmex punctatus),讓螞蟻心甘情願地成為日本紫灰蝶幼蟲的保鏢,使牠們不受寄生蜂與蜘蛛的侵害。

為了了解更多有關螞蟻在藥物濫用上的行為,研究團隊以佛羅里達木匠蟻(Camponotus floridanus)為樣本,設計了一系列的實驗。首先,他們由三個不同的蟻窩裡各找了30隻螞蟻,將這90隻螞蟻以五隻為一組分為18組,放置在實驗環境中24小時,讓牠們先習慣一下新家。

接著,這些螞蟻開始參與下面三種實驗狀況之一,然後最後一起參與後續的選擇實驗:

蔗糖組:頭兩天餵食濃度為1M的蔗糖,第三、四天餵食0.5M的蔗糖,第五、六天餵食水。

嗎啡組:頭兩天餵食濃度為1M的蔗糖以及每毫升0.06毫克的嗎啡,第三、四天餵食0.5M的蔗糖以及每毫升0.12毫克的嗎啡,第五、六天餵食水以及每毫升0.12毫克的嗎啡。

控制組:直接參與後續的選擇實驗。

在後續的選擇實驗中,研究團隊讓螞蟻們在兩碟溶液中選擇:一個是0.5M的蔗糖水溶液,另一碟是每毫升0.12毫克的嗎啡溶液。觀察到底三組螞蟻會比較喜歡哪一種溶液。

實驗結果發現:嗎啡組的螞蟻,有65%寧願去吃嗎啡也不想吃糖!而控制組與蔗糖組的行為都差不多,還是比較偏愛蔗糖(蟻以食為天嘛!)。接著研究團隊分析這些螞蟻體內的多巴胺(dopamine)、章魚胺(octopamine)與血清素(serotonin)濃度,發現嗎啡組的螞蟻體內的多巴胺濃度明顯高於其他兩組,而章魚胺與血清素則看不出差異。

雖然過去對螞蟻成癮的研究發現,似乎多巴胺比較是偏向抑制的作用;不過研究團隊也指出,過去對螞蟻成癮的研究,使用的化學物質是蔗糖。由於蔗糖是有熱量的,也是螞蟻本來就會尋找的食物,加上這個研究裡面可以看到,上癮的螞蟻會有放棄蔗糖寧取嗎啡的行為。所以,可以說這個研究讓我們了解到,無脊椎動物上癮的行為,很可能也跟脊椎動物一樣,是由多巴胺主導的喔!

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參考文獻:

Brian V. Entler et. al., Morphine addiction in ants: a new model for self-administration and neurochemical analysis. Journal of Experimental Biology 2016 219: 2865-2869; doi: 10.1242/jeb.140616