前献解泌第30期|董樑教授与您共同探讨STAT3在转移性前列腺癌发...

聚前沿文献之声，解泌尿学术之惑

聚前沿文献之声，解泌尿学术之惑，这里是聚焦前列腺癌的《菲长视野 · 前献解泌》专栏。

本期与我们用声音见面的是上海交通大学医学院附属仁济医院董樑教授，他将与大家一同分享一项近日发表于《Molecular Cancer》杂志（影响因子：27.7）的一项有关信号转导和转录活化因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）基因在转移性前列腺癌发展中作用机制的研究。

研究背景

前列腺癌是全球男性癌症相关死亡的主要原因之一，雄激素受体（androgen receptor，AR）和磷酸酯酶与张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）基因的缺失是前列腺癌中最常见的遗传变化。AR和PTEN基因是前列腺细胞生长发育的关键调节因子，它们的缺失会促进不受控制的细胞增殖从而促进前列腺癌的发展。STAT3是一种复杂的转录与代谢调节因子，在细胞分化、增殖、免疫反应和代谢中发挥重要功能。STAT3信号传导在特定组织环境中具有肿瘤抑制和致癌作用，并且与恶性转化和转移扩散的调节有关。STAT3的活化在前列腺癌发生发展中的作用取决于突变背景。有研究表明，在PTEN基因缺失的情况下，STAT3起到肿瘤抑制因子的作用。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，是细胞生长和代谢的主要调节因子，由肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）负反馈调节（也被称为丝氨酸/苏氨酸激酶11或STK11）。mTOR信号经常在癌症中被激活，且与多种疾病相关，包括肥胖、代谢综合征和2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）。肿瘤抑制因子LKB1是代谢传感器腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine 5‘-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）的关键上游调节因子，同时也会激活肿瘤抑制因子PTEN。二甲双胍是T2DM的一线治疗药物，可以激活AMPK并抑制mTORC1。多项研究表明，二甲双胍在体内、体外均可抑制前列腺癌细胞的生长，降低前列腺癌的发生风险。然而，关于二甲双胍治疗前列腺癌的临床证据仍有争议。近期，有研究发现PTEN基因和LKB1的同时缺失会导致更具侵袭性的前列腺癌以及肺转移的出现。此外，T细胞中LKB1（STK11）的缺失会导致Janus激酶（janus kinase，JAK）-STAT通路的过度激活，但很少有证据表明STAT3在二甲双胍治疗的T2DM前列腺癌中起直接作用。本研究探索了STAT3在转移性前列腺癌发生发展以及二甲双胍治疗转移性前列腺癌过程中的作用机制[1]。

研究方法

研究结合PTEN/STAT3双基因敲除转移性前列腺癌模型小鼠的试验数据、二甲双胍治疗后荷瘤小鼠肿瘤生长情况以及同时诊断为T2DM和前列腺癌的患者临床数据，分析验证了STAT3基因在转移性前列腺癌发展以及二甲双胍治疗转移性前列腺癌过程中的作用机制。研究结果

● STAT3缺失促进肿瘤转移并抑制LKB1/AMPK信号

突变分析结果显示，在转移性前列腺癌患者（n=95）的血浆循环游离脱氧核糖核酸（circulating free deoxyribonucleic acid，cfDNA）样本中，STAT3和PTEN共同缺失的发生频率较高（图1A）。研究者认为，这样的压力性STAT3缺失可能是肿瘤转移所必须的。为了验证这一假设，研究者构建了STAT3和PTEN双敲除小鼠模型（PTENpc−/− STAT3pc−/−）。研究发现，在PTENpc−/−小鼠中，STAT3的组成性激活可以显著延长小鼠的生存并降低前列腺的重量（图1B、C），而PTENpc−/−STAT3pc−/−小鼠则因疾病转移快速死亡。在52周龄以上的PTENpc−/−STAT3c/+的小鼠中，激活的STAT3可以预防前列腺癌的转移（图1D）；此外，PTENpc−/−STAT3c/+的小鼠也没有明显的肿瘤生长和组织学浸润迹象，仅有极少数出现高级别前列腺上皮内瘤（prostate intraepithelial neoplasia，PIN；图1E）。 既往研究报道，PTEN和LKB1的缺失与本研究中PTEN和STAT3敲除小鼠的表型相似，研究者进一步评估了LKB1-AMPK信号通路的情况。结果显示，与PTENpc−/−小鼠的肿瘤组织相比，PTENpc−/−STAT3pc−/−小鼠的肿瘤组织中STAT3、LKB1和p-AMPK蛋白均表达缺失。相反，在PTENpc−/−STAT3c/+小鼠中，STAT3、LKB1和p-AMPK的整体蛋白水平和阳性染色细胞数均显著高于PTENpc−/−STAT3pc−/−小鼠。上述结果表明，STAT3是LKB1/AMPK信号通路的调节因子。

图1 STAT3缺失促进转移性进展并降低LKB1/AMPK信号

● STAT3和LKB1协同抑制mTORC1

为了进一步探索STAT3在调控LKB1/AMPK/mTORC1中的作用，研究者在人前列腺癌细胞系22Rv1中敲除了STAT3。研究发现，敲除STAT3之后，LKB1（STK11）的表达显著下降（图2），说明STAT3可能介导LKB1的转录调节。染色质免疫沉淀（chromatin immunoprecipitation，ChIP）实验结果显示，内源性STAT3直接与LKB1（STK11）启动子区域结合，LKB1（STK11）是STAT3的直接靶基因。而mTOR正是LKB1（STK11）调控的主要生长调节通路之一，研究随即对转移性前列腺癌小鼠中STAT3与mTORC1信号的关系进行了探讨。结果表明，与PTENpc−/−STAT3c/+小鼠相比，PTENpc−/−STAT3pc−/−小鼠中mTORC1下游底物p-4E-BP1、4E-BP1以及磷酸化核糖体蛋白S6的表达水平显著升高，进一步支持STAT3在前列腺癌中作为mTOR信号的负反馈调节因子。随后，研究者在PTENpc−/−小鼠中通过杂合的方式敲除了LKB1（STK11），发现PTENpc+/−STK11−/−小鼠中前列腺癌的侵袭性更强，且肺转移的发生率超过80%。进一步分析发现，PTENpc+/−STK11−/−小鼠中的S6和4E-BP1的磷酸化水平显著升高，说明LKB1/PTEN缺失的同时，也增加了mTORC1的活性。