撰文 | Qi
責編 | 兮
細胞進入有絲分裂階段，中心體（centrosome）負責催化組裝紡錘體所需微管的形成。受到絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶PLK4的調控，中心體自身在每個細胞周期僅複製一次。有研究表明，即使抑制PLK4活性，許多癌細胞和正常細胞細胞分裂仍可在無中心體複製的條件下進行，產生無中心體的細胞，然而這些細胞表現出延遲的非中心體型紡錘體組裝（acentrosomal spindle assembly）【1】。截至目前，人們對這一非經典組裝方式知之甚少。
為了探索中心體生物學功能以及PLK4抑制作為癌症療法的潛力，先前已開發出具有選擇性的和細胞活性的PLK4抑制劑（centrinone）【1,2】。經centrinone處理的缺乏中心體的細胞雖能形成雙極紡錘體，但紡錘體組裝及染色體排列進程均被延遲且出錯頻率明顯增加。因此，通過抑制PLK4對中心體複製的調控作用，附加對非中心體型紡錘體組裝途徑的幹擾，將不失為阻斷癌細胞增殖的新策略。
2020年9月9日，Nature雜誌接連發表兩篇文章，來自美國和英國的不同課題組非常默契的共同揭示出TRIM37在細胞有絲分裂中的調控作用，以及PLK4抑制劑對於治療TRIM37高擴增腫瘤的潛力。
其中一篇為來自美國的路德維希癌症研究所的Arshad Desai課題組與Karen Oegema課題組合作發表的題為「TRIM37 controls cancer-specific vulnerability to PLK4 inhibition」的文章【3】，該研究發現不同表達水平的TRIM37可以通過截然不同的機制控制細胞內非中心體型紡錘體的組裝，以分別達到改善PLK4抑制後的細胞增殖或誘導有絲分裂失敗及增殖停滯的結果。
先前通過全基因組篩選，已鑑定出泛素連接酶TRIM37的失活可以使經centrinone處理的RPE1細胞仍持續增殖【4】。作者進一步確認TRIM37的缺失不會改變具有中心體的細胞有絲分裂持續時間（用DMSO處理），但確實可以挽救在缺乏中心體的細胞中觀察到的延遲的紡錘體組裝和染色體分離失敗的情況（用centrinone處理）。
相反，過表達TRIM37會顯著增加經centrinone處理的細胞有絲分裂持續時間並加重染色體分離失敗情況，即有絲分裂缺陷程度與TRIM37含量成正比。因此，上述結果可以得出初步結論：PLK4抑制後由中心體缺失引起的有絲分裂受影響程度以雙向方式取決於TRIM37，TRIM37的缺失可以改善結局，而TRIM37的增加卻使結局惡化。
值得注意的是，TRIM37基因座位於17q22和17q23的邊界，這是在許多癌症中擴增的染色體區域，最顯著的是約50-60％的神經母細胞瘤和大約10％的乳腺癌病例【5-8】。隨後，作者通過分析存在TRIM37擴增的六種癌細胞系及四種TRIM37未擴增的癌細胞系，發現六種具有高TRIM37水平的癌細胞系無法在centrinone處理後增殖，提示TRIM37與PLK4抑制存在合成致死性（Synthetic lethality）。
那麼，究竟是什麼原因導致不同表達水平的TRIM37將細胞非中心體型有絲分裂引向相反命運呢？作者在研究中發現TRIM37可以阻止PLK4自組裝為凝聚體（condensate），該凝聚體可以募集其他中心體成分並充當異位微管成核中心（ectopic microtubule-nucleating centre）。
此外，作者通過原位螢光標記中心體蛋白CEP192（多功能骨架蛋白，可與PLK4結合調控中心體複製，與PLK1和Aurora A結合調控中心粒外周物質的組裝），觀察到在PLK4受到抑制的細胞中，升高的TRIM37水平抑制了非中心體型有絲分裂灶點（acentrosomal mitotic foci）的形成。TRIM37是一個三重基序泛素連接酶，尚未報導其中心體定位。作者在此項研究中發現CEP192的495個胺基酸的羧基末端區域可以牢固地與TRIM37結合，以TRIM37依賴方式泛素化並降解。
這些數據表明，PLK4和CEP192均為直接的TRIM37靶標。然而，與PLK4不同，CEP192蛋白水平受TRIM37連接酶活性的控制，尤其是在中心體缺失的情況下。因此，TRIM37水平升高通過引起CEP192降解而賦予細胞對PLK4抑制的敏感性，從而阻斷非中心體型有絲分裂灶點的形成並加重細胞生長停滯的情況。
圖1，抑制PLK4後TRIM37對非中心體型有絲分裂進行雙向控制的模型
最後，由於centrinone的藥代動力學特徵阻止了其在腫瘤模型中的使用，作者通過使用兩個CHP134 PLK4 shRNA克隆在裸鼠中產生異種移植瘤，並切換飼料以誘導shRNA表達（CHP134，一種TRIM37擴增的神經母細胞瘤細胞系）。結果顯示，PLK4 shRNA誘導抑制了兩個克隆的腫瘤生長。因此，這一異種移植腫瘤實驗凸顯了抑制PLK4作為神經母細胞瘤以及具有高TRIM37表達的其他癌症新型治療策略的潛力。
另一篇為來自英國牛津大學威瑟爾分子醫學研究所的J. Ross Chapman課題組和來自美國約翰霍普金斯大學分子生物學和遺傳學系的Andrew J. Holland課題組合作發表的題為「Targeting TRIM37-driven centrosome dysfunction in 17q23-amplified breast cancer」的文章【9】，該研究類似地揭示了TRIM37在中心體缺失的情況下，對非中心體型有絲分裂機制的調節作用，也強調了TRIM37高表達與PLK4抑制的合成致死作用在乳腺癌治療中的潛力。
作者首先發現含有17q23乳腺癌擴增子的MCF-7細胞在用centrinone處理後出現進行性的中心體損失，並在17q23擴增子內的大約40個蛋白質編碼基因中篩選出先前被報導與中心體功能相關的基因TRIM37。通過shRNA阻斷TRIM37的表達後，經centrinone處理的細胞細胞生長；在對中心體丟失不敏感的人結腸直腸癌細胞系HCT116中過表達TRIM37，用centrinone處理後細胞存活率降低再次證明TRIM37升高可增強細胞對PLK4抑制的敏感性。
隨後，使用centrinone（抑制PLK4），CFI-400945（抑制PLK4和Aurora B）和ZM447439（抑制Aurora B）處理MCF-7均能有效降低細胞存活率，當然，TRIM37耗竭僅恢復了用centrinone處理的細胞增殖，無法恢復用CFI-400945或ZM447439處理的細胞的增殖情況，表明針對PLK4（而非其他激酶）的抑制劑選擇性對於過表達TRIM37細胞的合成致死作用至關重要。
與上篇研究類似地，作者也通過測試centrinone對TRIM37正常表達或擴增的不同乳腺癌細胞的增值情況，證實PLK4抑制劑處理的合成致死作用取決於TRIM37的含量。與此同時，作者測試了源自乳腺癌患者（分別具有不同TRIM37 mRNA水平）的3D類器官培養物（3D organoid cultures）對centrinone的敏感性。結果顯示敏感性的分布與在乳腺癌細胞系中得出的結論一致。因此，上述細胞系和患者來源的類器官實驗均強調了PLK4特異性抑制劑在殺死TRIM37擴增的乳腺癌細胞中的效用。
隨後，這篇文章的作者也觀察到TRIM37耗竭恢復了在Centrinone處理的MCF-7細胞中穩定的雙極紡錘體形成，並通過免疫共沉澱證實了TRIM37和CEP192的相互作用，並通過TRIM37的無催化活性（C18R），泛素結合及轉移缺陷（R67A）的RING結構域突變體都不會降低包含CEP192在內的中心粒外周物質（pericentriolar material，PCM）的蛋白水平，證實TRIM37通過泛素-蛋白酶體途徑指導這些蛋白的降解，從而影響非中心體型PCM灶點的形成，而這些灶點在缺乏中心體的細胞中，對於有效的微管成核和堅固的雙極紡錘體組裝是必需的。
最後，作者更詳細的展示了TRIM37在細胞有絲分裂過程中對中心體成熟的延時影響：如MCF-7細胞中的TRIM37耗竭在G2期後期加速了中心體成熟20分鐘，並在進入有絲分裂時加快了中心體分離；相反，RPE-1細胞中的TRIM37過表達將G2期後期的中心體成熟延遲了17分鐘。這些數據表明，TRIM37升高驅動的PCM組裝抑制在G2期晚期延遲了微管成核和中心體分離。
圖2，17q23擴增的乳腺癌細胞中PLM4抑制與TRIM37過表達的合成致死作用模型
綜上所述，兩篇文章均提出了PLK4抑制作用下，TRIM37擔任控制細胞分裂的「變阻器」（rheostat）的作用。伴隨TRIM37擴增的中心體缺陷可能加劇隨機的有絲分裂錯誤，從而導致伴隨17q23擴增的癌症中存在基因組不穩定的高負擔，並可能推動腫瘤的發展。
因而，通過抑制PLK4或其他中心體複製或組裝調節劑，可能代表一種有前途的治療策略，可選擇性地靶向17q23擴增驅動的乳腺癌或其他腫瘤（如神經母細胞瘤）。
製版人：琪醬
1, Wong, Y. L. et al. Reversible centriole depletion with an inhibitor of Polo-like kinase 4.Science348, 1155–1160 (2015).
2, Oegema, K., Davis, R. L., Lara-Gonzalez, P., Desai, A. & Shiau, A. K. CFI-400945 is not a selective cellular PLK4 inhibitor.Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, E10808–E10809 (2018).
3, TRIM37 controls cancer-specific vulnerability to PLK4 inhibition.
4, Meitinger, F. et al. 53BP1 and USP28 mediate p53 activation and G1 arrest after centrosome loss or extended mitotic duration. J.Cell Biol. 214, 155–166 (2016).
5, Bulavin, D. V. et al. Amplification of PPM1D in human tumors abrogates p53
tumor-suppressor activity.Nat. Genet.31, 210–215 (2002).
6, Ho, N. et al. Delineation of the frequency and boundary of chromosomal copy number variations in paediatric neuroblastoma.Cell Cycle17, 749–758 (2018).
7, Li, J. et al. Oncogenic properties of PPM1D located within a breast cancer amplification epicenter at 17q23.Nat. Genet. 31, 133–134 (2002).
8, Liu, Y. et al. Targeting 17q23 amplicon to overcome the resistance to anti-HER2 therapy in HER2+ breast cancer.Nat. Commun. 9, 4718 (2018).
9, Targeting TRIM37-driven centrosome dysfunction in 17q23-amplified breast cancer.