【Nature子刊】北京大学深圳医院林媛团队：雷帕霉素或成为治疗结直肠癌的新希望！

2024年7月30日，北京医院深圳医院林媛团队在期刊《Nature Cell Biology》上发表了题为“mTORC2-driven chromatin cGAS mediates chemoresistance through epigenetic reprogramming in colorectal cancer”的研究论文。本研究为mTOR抑制介导的化学耐药性，提供了机制上的见解，并暗示靶向mTORC2-ccGAS-KGA轴，可以改善癌症治疗。

https://www.nature.com/articles/s41556-024-01473-0

研究背景

 01 

环状GMP-AMP合酶（cGAS）在感应到侵入病原体的胞质双链（ds）DNA时，催化形成环状GMP-AMP（cGAMP）分子或宿主基因组内的损伤，激活cGAS-STING通路。该途径在免疫检测中，起着既定的作用。然而，癌细胞通常会抑制STING活性，同时保留cGAS的前哨功能，这表明cGAS可以独立于STING，执行额外的隐蔽角色。值得注意的是，cGAS不直接接触核小体 DNA，而是紧密锚定在组蛋白2A-组蛋白2B上的“酸性斑块”上。这种染色质拴系阻断了活性cGAS二聚体的形成，并防止对自身DNA的反应。尽管如此，cGAS募集到染色质及其染色质功能的机制，仍然难以捉摸。

雷帕霉素的机制靶点（mTOR）通路整合了细胞外信号，以调节细胞对环境变化的反应。mTOR形成两个复合物，mTORC1和mTORC2。最近的证据表明，mTOR与耐药性有关。抑制mTOR可诱导哺乳动物胚胎处于休眠状态，并在癌细胞中诱导可逆的滞育样状态，赋予对化疗的耐受性。这种mTOR阻断剂可防止结直肠癌和白血病中的化疗药物。在本研究中，通过高通量化合物筛选，团队发现mTOR抑制会破坏cGAS-染色质拴系。mTORC2直接在丝氨酸37位点磷酸化cGAS，促进染色质锚定。ccGAS敲低在正常条件下，抑制结直肠癌细胞生长，但诱导对氟尿嘧啶（一种一线疗法）的获得性耐药性。

研究进展

 02 

cGAS耗竭在结直肠癌细胞中诱导滞育样状态

诺考达唑同步后，cGAS敲低诱导HCT116细胞中G1/S期停滞。过表达shRNA抗性S37D或S213D，cGAS挽救了这种停滞，而S37A突变体或STING激活剂 （ADU-S100） 则没有。平板克隆和细胞计数试验证实，cGAS敲低抑制HCT116细胞生长，S37D挽救了HCT116细胞生长，但S37A过表达未挽救HCT116细胞生长。因此，ccGAS耗竭诱导结直肠癌细胞周期停滞。

具有染色质定位的cGAS的细胞，表现出小的梭形“上皮样”形态。相比之下，那些具有非染色质cGAS的细胞，看起来又大又圆，具有“滞育样”形态，其特征是细胞周期停滞和增殖减少。抑制PI3K-mTORC2或RICTOR敲低，诱导滞育形态，而抑制AKT1-mTORC1-S6K轴或RAPTOR敲低，不会改变形态。总之，抑制mTORC2-ccGAS轴，可诱导结直肠癌细胞中的滞育样可塑性。

ccGAS耗竭，诱导结直肠癌细胞出现滞育样状态和化疗耐药性。

ccGAS耗竭限制肿瘤生长并诱导化疗耐药性

氟尿嘧啶（5-FU）是一种广泛使用的结直肠癌化疗药物，在正常生长条件下，cGAS敲低抑制HCT116细胞增殖，但使细胞对5-FU诱导的死亡脱敏。将野生型cGAS再敏细胞重新表达为5-FU，通过用JR-AB2-011抑制mTORC2，来阻断这一作用。表达S37D或S213D突变体，也使细胞对5-FU重新敏感，而S37A则没有。与ccGAS不同，STING激活或敲低，不影响结直肠癌细胞的5-FU耐药性。此外，ccGAS对化学耐药性的调节，与MLH1状态无关。这种由ccGAS介导的STING非依赖性化学耐药性，在具有不同微卫星不稳定性的结直肠癌细胞系中泛化。敲低mTORC2特异性亚基RICTOR和SIN1，也降低了HCT116细胞中5-FU的敏感性。S37D突变体（而非野生型cGAS）过表达，将mTOR或RICTOR敲低HCT116细胞再敏化为5-FU，表明mTORC2驱动的ccGAS调节化学敏感性。

在小鼠异种移植模型中，将cGAS敲低或对照HCT116细胞，皮下注射到裸鼠中。3周后，与对照组（100%）相比，cGAS敲低小鼠（37.5%）的肿瘤形成显著减少。在5周时，肿瘤体积和重量在敲除中也显著减少。过表达cGAS-S37D在敲低中挽救了肿瘤的形成和生长，而cGAS-S37A则没有。这些结果表明，ccGAS耗竭通过抑制增殖能力，来抑制结直肠癌的致瘤性。

当肿瘤直径达到5mm 时，腹膜内给药5-FU 5周。与之前的肿瘤生长观察结果一致，在盐水治疗下，cGAS-敲除肿瘤的生长速度，比对照组慢。然而，虽然对照组对5-FU反应灵敏，但cGAS敲低肿瘤则没有反应。过表达S37D，cGAS在敲低中恢复了5-FU反应，而cGAS-S37A则没有。这些发现表明，即使以减少增殖为代价，ccGAS耗竭也会促进化学耐药性，这表明恢复ccGAS功能可以克服化学耐药性。

mTORC2驱动的ccGAS，在体内指导结直肠癌可塑性和获得性化疗耐药性。

研究结论

 03 

在本研究中，团队揭示了mTORC2 诱导的丝氨酸37位点cGAS磷酸化，促进其染色质募集和功能的机制。这种翻译后修饰，代表了影响癌细胞中cGAS依赖性过程的关键调控节点。通过调节cGAS-染色质定位，PI3K-mTORC2信号转导在正常条件下支持增殖，但其破坏会引起对化疗的获得性化疗耐药性。这阐明了PI3K-mTORC2-ccGAS通路在肿瘤生长和治疗反应中的重要性。

团队发现，抑制mTORC2-ccGAS轴，可驱动结直肠癌细胞，进入类似滞育的化学抵抗状态。滞育样可塑性，是ccGAS耗尽时耐药性的基础。添加ccGAS作为生物标志物，或许有助于优化将mTOR抑制剂与KGA断剂相结合的策略，以消除持续的静态化疗耐药性肿瘤。

本研究还揭示了一种表观遗传机制，即mTORC2通过ccGAS修饰染色质。ccGAS 选择性地将SWI/SNF复合物，募集到调节DNA复制和谷氨酰胺分解的区域。虽然靶向SWI/SNF具有挑战性，但选择性抑制下游淋巴结（如KGA），可能会提高肿瘤学的精准度。

虽然研究结果表明，mTORC2介导的S37磷酸化促进 cGAS-染色质定位，但不能排除PI3K-mTORC2信号传导下游其他因子的贡献。总之，团队提供了临时证据，证明mTORC2-ccGAS-KGA轴，介导癌症中的细胞可塑性和获得性化疗耐药性。进一步探索调节因子和途径，可能会优化针对适应性生存的精确策略，其有待验证。持续的研究，有望改善cGAS生物学的临床影响。

参考资料：

1.Motwani, M., Pesiridis, S. & Fitzgerald, K. A. DNA sensing by the cGAS-STING pathway in health and disease. Nat. Rev. Genet. 20, 657–674 (2019).

2.Chen, C. & Xu, P. Cellular functions of cGAS-STING signaling. Trends Cell Biol. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2022.11.001 (2022).