NCB | 上交陈国强院士课题组揭示著名抑癌基因 PTEN 异构体 PTENα/β，有促进肿瘤生长的作用

PTEN（phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10）自 1997 年第一次被带入到人们的视野中来，就一直被认为是最重要的抑癌基因之一。以错构瘤为主要特征的 Cowden 综合症患者，80% 以上都携带 PTEN 突变。

而后续的研究也发现，很多癌症的发生都与 PTEN 突变有关。其突变出现的频率，仅次于抑癌基因之王 p53¹。

不同肿瘤中 PTEN 突变频率

图片来源：Oncogene

在普通细胞中，PTEN 扮演着基因组守护者的角色。作为一个磷酸酶，它可以对蛋白上丝氨酸，苏氨酸和络氨酸位点进行去磷酸化。除此之外，它还能磷酸化一种非常重要的磷脂，PIP3。而后者可以调节非常重要的 PI3K/AKT 信号通路来调节细胞生长 ²。

PTEN 调节 PI3K/AKT 信号通路 ²

图片来源：Journal of Cell Science

PTEN 的失活会直接导致 PI3K/AKT 的过度激活，从而致使细胞生长失控成为肿瘤。

近几年来，研究人员发现 PTEN 的基因序列由于非 AUG 的起始密码子可以在其 N 端延伸出 173 和 146 个氨基酸序列，翻译成两个更长的异构体，PTENα 和 PTENβ³。此前，这两种异构体的在癌症的功能及机制依然不明。

PTEN 异构体结构 ⁴

图片来源：Nature Cell Biology

2019 年 11 月 4 日，上海交通大学副校长陈国强院士课题组在 Nature Cell Biology 发表了题为《PTENα and PTENβ promote carcinogenesis through WDR5 and H3K4 trimethylation》的长文 ⁵。

该文首次报道了 PTENα/β 与 PTEN 完全相反的作用，并发现 PTENα/β 特异的去泛素化酶 / 泛素化酶，以及因为特定序列入核并通过结合 WDR5 调节下游促癌基因的机制。

图片来源：Nature Cell Biology

在部分肝癌组织中，抑癌基因 PTEN 一般出现下调的情况，但该研究发现异构体 PTENα/β 在这些肝癌组织中呈现出与 PTEN 截然不同的持平或者上调。

进一步研究揭示了去泛素化酶 USP9X 能够与 PTENα/β 结合来保持其稳定，与此同时，研究还找到了能够特异性降解 PTENα/β 的泛素化酶，FBXW11。

值得注意的是 USP9X 和 FBXW11 都能只能结合到 PTENα/β 的 N 端延伸区，从而不会影响 PTEN 的稳定性。

图片来源：Nature Cell Biology

随后，研究人员探究了 PTENα/β 在癌症中的作用。

队列研究表明，在 PTEN 下调的病人中，PTENα/β 水平持平或者上调的病人的肿瘤比 PTENα/β 下调的病人的肿瘤更大，同时他们的生存情况也更差。

研究人员随后分别特异性的敲除了小鼠体内的 PTENα/β 和所有 PTEN 异构体，发现特异性移除 PTENα/β 导致了肿瘤生长的减缓。而移除所有的异构体导致了肿瘤生长的增加。反之，在 PTEN 缺陷的肿瘤中再重新表达 PTENα/β 以及没有磷酸化功能的 PTEN，都能显著加快肿瘤生长。

图片来源：Nature Cell Biology

研究人员随后通过敲除或过表达小鼠体内 PTENα/β 的调节蛋白 USP9X 和 FBXW11 进一步验证了后两者对 PTENα/β 的调节作用。

敲除 PTENα/β 的去泛素化酶 USP9X 导致了 PTENα/β 的下调和肿瘤生长的减缓，而这种减缓可以被 PTENα/β 过表达拯救。与此同时，过表达 FBXW11 导致了 PTENα/β 的下调以及减缓了肿瘤的生长。

图片来源：Nature Cell Biology

由于之前的研究证明了 PTENα/β 作用与其磷酸化功能无关，研究人员为了揭示 PTENα/β 促癌作用的机制，研究了 PTENα/β 在细胞内的分布。他们发现与 PTEN 只分布在细胞质内不同。PTENα/β 由于 N 端延伸序列的存在，主要分布在细胞核中。

PTENα/β 入核的现象说明 PTENα/β 可能直接影响基因转录。通过 RNA-sep, 研究人员发现 PTENα/β 有着明显的促癌基因表达特征（Tumour-promoting signature）。

图片来源：Nature Cell Biology

在一系列被 PTENα/β 调控的基因中，NOTCH3 由于其促癌作用最为显眼。因为 NOTCH3 受可以调节 H3K4me3 /H3K27me3 比例的表观遗传学调控，研究人员顺藤摸瓜，发现了 PTENα/β 结合 WDR5 调节其下游的 32 个基因，而 PTEN 本身没有这个功能。

图片来源：Nature Cell Biology

文章最后，研究人员再次通过动物实验证明了 PTENα/β 通过 WDR5–H3K4me3 来促进肿瘤的生长。在体内敲除 WDR5 能够逆转过表达 PTENα 促癌作用。

PTENα/β 作用机制

图片来源：Nature Cell Biology

亮点与总结

这篇 ΝCB 的长文构思严谨，首次揭示了抑癌基因 PTEN 的异构体 PTENα/β 的促癌作用。PTENα/β 通过其延伸序列入核后与 WDR5 结合，调控 ΝΟΤCH3 等下游促癌基因的表达。

文章还发现了两个 PTENα/β 稳定性的调节蛋白，USP9X 和 FBXW11， 解释了 PTENα/β 和 PTEN 表达不一致的原因。

相关研究

本文发表后引起学界的广泛关注，因为 PTEN 作为普遍存在于癌症中并失活的抑癌基因，靶向它非常的困难。如果其异构体在癌症中上调，那么 PTENα/β 就能成为一个有效的靶向药研究方向。

与此同时，该研究与之前报道 PTENα 的研究出现难以调和的表型。而且这些与其冲突的研究都非常重磅。

2013 年 Science 的一篇文章指出 PTENα 能够被细胞分泌，并且注射的重组 PTENα 蛋白在小鼠体内能够进入细胞抑制 PI3K/AKT 通路从而抑制肿瘤生长 ⁶。

图片来源：Science

而 2009 年发表在 Nature 上的一篇文章也表明分泌到细胞外的 PTEN 通过旁分泌来调节肿瘤生长不可以被忽略 ⁷。

图片来源：Nature

陈国强教授团队的研究只注重于核内 PTENα/β 的研究，并没能解决这些问题。但本次研究中发现 PTENα/β 延伸序列中的入核序列也许是解决这些问题的关键。

研究意义和展望

该研究揭示了抑癌基因 PTEN 异构体 —— PTENα/β 的促癌作用，对靶向该基因的治疗方法提供新的思路。

也可以避免在重激活癌细胞中 PTEN 的治疗方案中可能走的一些弯路：如能否在该研究发现的基础上再进一步解释 PTENα 在胞外和核内作用机制的不同，将直接决定我们是应该抑制 PTENα/β 还是使用重组 PTENα 蛋白来治疗癌症。

参考文献：

1.Yin Y and Shen WH. PTEN: a new guardian of the genome. Oncogene. 2008;27:5443 - 5453.

2.Planchon SM, Waite KA and Eng C. The nuclear affairs of PTEN. Journal of Cell Science. 2008;121:249.

3.Liang H, He S, Yang J, Jia X, Wang P, Chen X, Zhang Z, Zou X, McNutt Michael A, Shen Wen H and Yin Y. PTENα, a PTEN Isoform Translated through Alternative Initiation, Regulates Mitochondrial Function and Energy Metabolism. Cell Metabolism. 2014;19:836 - 848.

4.Taylor J and Abdel-Wahab O. PTEN isoforms with dual and opposing function. Nature Cell Biology. 2019;21:1306 - 1308.

5.Shen S-M, Zhang C, Ge M-K, Dong S-S, Xia L, He P, Zhang N, Ji Y, Yang S, Yu Y, Zheng J-K, Yu J-X, Xia Q and Chen G-Q. PTENα and PTENβ promote carcinogenesis through WDR5 and H3K4 trimethylation. Nature Cell Biology. 2019;21:1436 - 1448.

6.Hopkins BD, Fine B, Steinbach N, Dendy M, Rapp Z, Shaw J, Pappas K, Yu JS, Hodakoski C, Mense S, Klein J, Pegno S, Sulis M-L, Goldstein H, Amendolara B, Lei L, Maurer M, Bruce J, Canoll P, Hibshoosh H and Parsons R. A Secreted PTEN Phosphatase That Enters Cells to Alter Signaling and Survival. Science. 2013;341:399.

7.Trimboli AJ, Cantemir-Stone CZ, Li F, Wallace JA, Merchant A, Creasap N, Thompson JC, Caserta E, Wang H, Chong J-L, Naidu S, Wei G, Sharma SM, Stephens JA, Fernandez SA, Gurcan MN, Weinstein MB, Barsky SH, Yee L, Rosol TJ, Stromberg PC, Robinson ML, Pepin F, Hallett M, Park M, Ostrowski MC and Leone G. Pten in stromal fibroblasts suppresses mammary epithelial tumours. Nature. 2009;461:1084 - 1091.

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