Nature：首次发现逆转胰腺癌的扩散的关键调节因子

摘要：

科学家表明，一种名为GREM1的蛋白质是调节胰腺癌细胞类型的关键因子，操纵此关键蛋白可能逆转胰腺癌细胞在全身生长和扩散，或可成为治疗胰腺癌的靶点。

作为消化道常见的恶性肿瘤之一，胰腺癌因其起病隐匿、晚期难治、生存率低被视作“癌中之王”。不到 7% 的胰腺癌患者能够存活五年或更长时间[1]，因此，科学家们需要大量研究来发现和开发对肿瘤反应更好的靶点和治疗方法。

近日，一项新的研究在Nature杂志上发表，来自英国伦敦癌症研究所（ICR）的Axel Behrens团队发现一种名为GREM1的蛋白质是调节胰腺癌中细胞类型的关键调节因子，操纵其水平可以促进和逆转这些细胞转变为更具攻击性的亚型的能力[2]。

胰腺导管腺癌（PDAC）表现为明显的上皮性和间叶性癌细胞群[3-6]，不同的细胞类群是疾病亚型的重要特征[7]，但不同的PDAC亚群如何相互作用以及决定PDAC细胞命运的分子机制尚不完全清楚。

研究人员在PDAC的小鼠模型中，用可以使GREM1蛋白关闭的基因，在 “微型肿瘤”（类器官）中研究了胰腺癌[8]。并且根据Alan Turing于1952年首次提出的数学模型，研究人员还发现另一种称为 BMP2 的蛋白质参与调节 GREM1，这两种蛋白质调节 PDAC 细胞最终的形态。在自然界中也可以发现类似的“图灵模式”——从巨型河豚皮肤上的图案到贝壳——在胰腺癌中发现的不同类型的细胞中也可以看到相同的图案。

首先，研究人员从KPCY小鼠模型（胰腺癌最常见和最具侵袭性的模型）中及体外培养中鉴定出两个不同的EPCAM+和EPCAM−肿瘤细胞群，通过RNA-Seq筛选出有差异表达的基因，发现有机体内的EPCAM−群体显示间充质标记Vim和Fsp1mRNA水平增加，Grem1的mRNA水平也增加。即Grem1在EPCAM−胰腺癌间质瘤细胞中表达上调。

为了研究GREM1在PDAC进展中的潜在功能，研究人员将由FLP/FRT重组系统（KPF小鼠）诱导的PDAC与FLP诱导的Grem1（Grem1f1）等位基因、FLP诱导的Rosa26FSF-Creer等位基因（允许在肿瘤发展过程中胰腺实质中Grem1缺失）和Tomato/GFP CRE报告基因allele相结合，产生KPFCT;Grem1fl/fl小鼠（图a）。KPF小鼠肿瘤显示出与KPCY小鼠相似的上皮性和间叶性肿瘤细胞成分，可以推出，Grem1主要在间叶性PDAC肿瘤细胞中表达。

KPFCT;Grem1WT/WT肿瘤显示典型的分化型导管癌特征，以导管形成和胞浆内粘液为特征，Grem1∆/∆肿瘤表明，这些肿瘤在体内经历了表型转换，向更多的间质呈现。因此，在小鼠PDAC中，Grem1的失活导致上皮细胞直接转化为间充质PDAC细胞，这表明持续的GREM1活性是维持上皮PDAC亚群所必需的。

为了了解 Grem1在体内对肿瘤细胞特性的调节，研究人员对由 RFP 标记的KPFC/Grem1 fl/fl类器官生成的皮下肿瘤移植模型进行了时程分析，该模型允许通过 TMX 注射对Grem1缺失进行时间控制。在Grem1缺失后，肿瘤细胞的显著增加，CK19 + vimentin -上皮肿瘤细胞已逐渐转变为CK19 + vimentin +的上皮-间质混合状态。TMX 注射后第11天，梭形细胞聚集，导管分化基本消失，大部分肿瘤细胞是CK19 - vimentin +，表明此时肿瘤主要是间质。

在体内和体外Grem1缺失后，从上皮状态到间质状态的迅速转变证实了GREM1在限制 EMT方面的关键作用，并表明持续抑制BMP信号传导对于维持上皮PDAC细胞和肿瘤异质性是必要的。此外，Grem1的过表达恢复了KPFC/Grem1 Δ/Δ的间质特征肿瘤，表明Grem1的水平可以可逆地调节上皮-间质可塑性。

为了研究PDAC EMT的机制，研究人员接下来在KPC肿瘤中分析了EPCAM+和EPCAM−亚型。在EPCAM−肿瘤细胞中，骨形态发生蛋白的靶基因id3和id4及其配体基因BMP2的表达显著增高。

那么，BMP信号和GREM1之间有着怎样的关系呢？

研究人员在KPFC/Grem1fl/fl类器官中敲除了Grem1，然后用BMP2或LDN193189（一种有效的BMP受体抑制剂）处理。在Grem1缺失的类器官中，Smad1、Smad5和Smad9（pSMAD1/5/9）的磷酸化水平增加，这一作用可被LDN19318阻断。BMP2强烈诱导对照有机物中Smad1/5/9的磷酸化，在Grem1缺失的类器官中进一步增强。此外，BMP2使EPCAM+细胞中Grem1的表达略有增加，但在被LDN193189钝化的EPCAM−细胞中，Grem1的表达增加了9倍。这些结果表明，Grem1是BMP信号传导的靶基因。

接下来，研究人员评估了BMP信号在EMT调控中的作用。在KPFC/Grem1fl/fl有机体中，BMP2处理增加了Vimentin+细胞的数量，而GREM1过表达则减少了它们的数量。用4-OHT处理Grem1缺失显著诱导vimentin+细胞，而BMP2处理进一步增强诱导，表明Grem1通过典型的BMP信号控制PDAC EMT。

总而言之，在本研究中研究者首次发现持续抑制BMP活性对于维持上皮PDAC细胞是必不可少的，这表明维持胰腺癌细胞的异质性需要由单一的可溶性因子持续的旁分泌信号。即BMP2和GREM1形成了两个可扩散分子的自抑制反馈环——这是一种由Alan Turing首次提出的细胞命运模式机制。

伦敦癌症研究所癌症团队负责人、该研究的通讯作者Axel Behrens教授说：“我们已经证明，在实验室中逆转胰腺癌的细胞命运是可能的——逆转侵袭性肿瘤并将它们改变成容易治疗的状态。通过本研究更好地了解是什么驱动了胰腺癌的侵袭性扩散，我们希望现在利用此结果找出降低胰腺癌侵袭性和更易治疗的方法。”

将GREM1作为肿瘤治疗的可能靶点，利用BMP2和GREM1之间的相互调节进行操纵，可以助长也可以逆转这些细胞转变为更具侵袭性的亚型的能力。更广泛地说，此项研究最终可能为新的胰腺癌治疗方法铺平道路，研究模型也为其他癌症的研究提供可能。