癌症治疗新方法！Cell：中国科学家通过植物蛋白

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

癌症作为一种细胞异常增殖的疾病，是全球主要的公共卫生问题。癌症的诱因非常复杂，是胞内多种调控通路的突变和微环境共同作用的结果，其中微小RNA（miRNA）是近年来被认为与癌症发生息息相关的重要 RNA 分子。在哺乳动物中，具有2-nt 3'末端悬垂的成熟 miRNA 双链可以被 Argonaute（AGO）识别并装载形成 RNA 诱导的沉默复合体（RISC）进而调控靶基因的表达。在癌症中，全局 miRNA 剂量减少被认为是癌症发生的诱因之一。然而，迄今为止对于不同癌症中普遍miRNA缺乏的原因尚未被系统陈述。

细胞周期的过度激活是癌细胞异常增殖的必要条件，因此细胞周期基因是抗癌药物研发的重要靶点。现有细胞周期的药物往往只能针对一种或者几种靶点，因而无法克服基因冗余性而带来的耐药性。有意思的是，许多 miRNA 都可以直接靶向并抑制细胞周期基因，从而直接控制细胞增殖。因此，能否通过修复肿瘤中有缺陷的 miRNA 通路从而实现对于肿瘤细胞增殖的抑制，就一直是一个悬而未决的生物学问题。一旦成功，则可开发成为一种肿瘤治疗的新策略。

与 miRNA 不同，siRNA 来源于不同 RNA 依赖性 RNA 聚合酶（RDR）合成的双链 RNA 底物。有趣的是，RDR 几乎在所有真核生物中都已被发现，但在进化过程中，其在具有次级免疫系统的脊椎动物中丢失。在植物中，依赖 RDR1 的 siRNA 尤其参与抗病毒免疫反应，是植物特有的、最核心的分子免疫反应通路之一。近年来，跨物种生物工程已成功应用于基础研究和转化医学，例如来自细菌的 CRISPR-Cas 系统。因此，研究人员尝试从动植物免疫系统的差异出发，在哺乳动物中进行基于植物 RDR1 的植物基因工程，并研究其相关的转化医学的应用。

2022年5月26日，北京大学杜鹏课题组在 Cell 在线发表了题为：A plant immune protein enables broad antitumor response by rescuing microRNA deficiency 的研究论文。

该研究发现，在不同的人类原发性癌症样本和癌症细胞系中，不能有效结合 AGO2 复合体的 3'末端短 1-nt 的 miRNA 异构体广泛积累。异位表达的植物免疫蛋白 RDR1 通过其单核苷酸加尾修饰这些 AGO2 游离出的 miRNA 双链异构体，以重新激活有缺陷的 miRNA 通路，从而特异性阻断实体瘤和白血病中癌细胞的细胞周期。

在本研究工作中，作者主要有以下发现：

1、RDR1蛋白通过靶向细胞周期广泛抑制癌细胞的增殖

为了在哺乳动物细胞中进行基于植物 RDR1 的生物工程，作者分别从拟南芥（At）和水稻（Os）中克隆RDR1基因到基于 Dox 诱导的慢病毒载体上。最终，本研究获得了13个稳定的 RDR1 诱导细胞系（包括7个实体瘤、3个白血病、3个非癌症细胞系）和2个 RDR1 恒定表达的胚胎干细胞系。通过 Western blot 和活细胞成像，作者验证了 RDR1 在哺乳动物细胞中成功实现了异位表达。

在接下来的研究中，令作者惊讶和意外的是，AtRDR1 和 OsRDR1 能够在体外显著抑制所有10种癌症细胞系的增殖，但对其他5种非癌细胞没有影响。RDR1 还可以显著抑制癌细胞的克隆形成能力。在分子水平上，基于 RNA-seq 的基因集富集分析（GSEA）表明，AtRDR1 和 OsRDR1 可以干扰所有癌症细胞系中的细胞周期过程，但在非癌对照细胞中没有明显作用。值得注意的是，短时间（2-3天）诱导 RDR1 同样可显著抑制癌细胞中的细胞周期过程，表明细胞周期通路可能是 RDR1 的直接作用靶点。

随后，EdU/PI 染色分析显示，RDR1 在癌细胞中的表达显著降低了 S 期的细胞比例，反而增加了 G0/G1 期的细胞比例。因此，作者认为植物免疫蛋白 RDR1 是一种外源肿瘤抑制因子，它能够特异靶向并干扰癌细胞中的细胞周期过程，但在非癌症细胞中却不起作用。

2、在3'末端短1个碱基的受损的miRNA异构体在多种肿瘤中广泛积累

由于 RDR1 参与植物中的小 RNA 通路，作者在 RDR1 诱导表达前后的癌症和非癌症细胞中进行小 RNA 测序。令人惊讶的是，作者发现诱导 RDR1 后的癌症细胞中 miRNA 的整体表达明显增加，但在非癌症细胞系中却没有出现这种现象。随后，作者还通过 miRNA 通路关键组分的敲低和 AGO2-CLIP 等实验，提出植物 RDR1 通过提高全局 miRNA 表达以特异挽救癌细胞中的 miRNA 缺乏来抑制细胞周期和增殖。