Nature | FAT1突变促进肿瘤发生的机制

撰文 | Qi

FAT1编码一种原钙粘附蛋白（protocadherin），在许多人类癌症中非常频繁地发生突变，尤其是鳞状细胞癌（squamous cell carcinomas,SCCs）【1,2】。先前研究表明，FAT1突变与不良的临床抗肿瘤治疗结局相关，且在化学致癌物DMBA/TPA联合诱导的动物模型皮肤SCCs中，Fat1在大约20%的情况下发生突变。其中，无义突变非常常见，这提示了这些突变导致功能丧失（loss of function, LOF）【3,4】。此外，有研究报道在人类癌细胞系中使用短发夹RNA敲除FAT1可减少细胞间粘附并促进细胞迁移，然而关于FAT1在体外调节EMT的作用却获得了矛盾的结果【5,6】。因此，截至目前，FAT1突变促进肿瘤发生和控制体内肿瘤异质性的分子机制目前仍是完全未知的。

近日，来自比利时布鲁塞尔自由大学干细胞与癌症实验室的Cédric Blanpain课题组在Nature杂志上发表了一篇题为Fat1 deletion promotes hybrid EMT state, tumour stemness and metastasis的文章，在这项研究中，作者使用小鼠皮肤鳞状细胞癌和肺癌模型，发现Fat1的缺失可以加速肿瘤的发生和恶性进展，并促进了上皮细胞向间充质细胞转化（epithelial-to-mesenchymal transition, EMT）的混合表型，同时也在FAT1突变的人鳞状细胞癌中发现这种EMT状态。此外，作者发现Fat1缺失的皮肤鳞状细胞癌表现为肿瘤干性增加和自发转移。就机制而言，作者证实了FAT1功能的丧失激活了促进YAP1核转位的CAMK2–CD44–SRC轴，以及刺激间质状态的ZEB1表达，这种丧失也能使EZH2失活，促进负责维持上皮状态的SOX2表达。总而言之，这项工作确定了FAT1缺陷型肿瘤的耐药性和脆弱性，在小鼠和人类鳞状细胞癌中，FAT1的功能丧失通过诱导混合EMT状态促进肿瘤的发生、发展、侵袭性和转移，这一发现对肿瘤研究具有重要意义。

为了评估Fat1 LOF是否促进肿瘤的发生，作者首先构建了Fat1-cKO小鼠模型，对皮肤表皮中的Fat1进行条件性敲除。在服用DMBA/TPA后，Fat1-cKO小鼠的良性和恶性肿瘤数量均增加，提示Fat1在DMBA/TPA诱导的皮肤SCC中发挥肿瘤抑制基因的作用。作者进一步地对良性乳头状瘤进行急性FAT1敲除，免疫组化和电镜分析结果显示，Fat1缺失后，基底细胞的极性以及粘附物和紧密连接迅速丧失，基底层中断以及半桥粒减少，同时良性肿瘤分化特征的KRT10表达迅速消失，表明Fat1缺失促进恶性肿瘤进展的潜在机制。

随后，作者通过FACS检测到Fat1-cKO SCC中含有大量EPCAM- 细胞，且大多数肿瘤细胞共表达间充质细胞标志物vimentin以及上皮细胞标志物KRT14，提示Fat1-cKO SCC中发生混合EMT表型。为了评估这些发现的人类相关性，作者使用CRISPR–Cas9在含野生型FAT1的A388人上皮性鳞状细胞癌细胞系完成FAT1敲除。在FAT1缺失后，细胞的粘附性降低，上皮细胞钙粘蛋白表达减少，并出现上皮标志物（KRT14，p63和SOX2）以及间充质（vimentin和ZEB1）标记物的共表达，这与在小鼠SCCs中发现的EMT混合状态一致。

接下来，作者想知道FAT1缺失与肿瘤干性和转移能力的关系。作者分别对Fat1-cKO和野生型EPCAM+和EPCAM-肿瘤细胞的增殖能力，以及野生型和FAT1基因敲除的人鳞状细胞癌细胞株的克隆形成能力进行评估发现，FAT1缺失能够促进小鼠和人类癌症的肿瘤干性。值得注意的是，在Fat1-cKO小鼠中，出现淋巴结和肺转移的小鼠比例和转移数量增加，且静脉注射EPCAM+ Fat1-cKO肿瘤细胞与野生型Fat1肿瘤细胞相比，肺转移率更高。这些数据提示Fat1LOF诱导的混合EMT状态能够促进肿瘤转移。

为了研究Fat1 LOF促进混合EMT状态的分子机制，作者首先评估了来自小鼠皮肤SCCs的Fat1突变肿瘤细胞的转录特征，间充质基因包括ZEB1、ZEB2和VIM等在Fat1缺失后上调，且这种常见的FAT1突变信号的高表达与肺鳞状细胞癌患者的低生存率相关。此外，作者使用ATAC-seq对野生型和Fat1-cKO EPCAM+和EPCAM- 肿瘤细胞进行转座酶可及染色质分析，在EPCAM+ Fat1-cKO肿瘤细胞中鉴定出关键的EMT转录因子和其他标志物增强子，可能解释了在Fat1缺失时肿瘤细胞发生EMT的表观遗传启动。进一步地，作者发现Fat1、Yap1和Taz三重敲除的SCCs转录组中存在EPCAM+ 上皮和早期混合EMT信号的显著富集，且三者分别控制着不同的转录程序，引起Fat1 LOF下游稳定的EMT混合表型。

接下来，作者想知道FAT1下游的信号通路。蛋白组学分析显示在Fat1 LOF中EGFR–RAS–RAF–MEK–MAPK和EGFR–PI3K–AKT–MTOR信号通路降低。此外，与生信预测一致，免疫印迹实验显示Fat1 LOF中CAMK2，SRC和YES的磷酸化程度显著提高，用CAMK2抑制剂（KN93）处理后，SRC和YES磷酸化水平大大降低，进一步地，作者证实CAMK2可以通过CD44激活SRC，且Fat1 LOF能够激活CAMK2–CD44–SRC–YAP–ZEB1轴，增强间充质程序的表达，从而促进EMT混合表型。

最后，为了测试在FAT1 LOF上改变的信号级联反应是否可以预测FAT1突变癌症的治疗抗性和敏感性，作者评估了野生型和FAT1基因敲除人类癌细胞系对信号通路抑制剂的敏感性。EGFR抑制剂如阿法替尼和MEK抑制剂如曲美替尼，广泛应用于转移性SCC患者，与野生型鳞状细胞癌细胞相比，FAT1基因敲除细胞对阿法替尼和曲美替尼的抵抗力明显更强，此外，FAT1基因敲除肿瘤细胞对SRC抑制剂达沙替尼和塞卡替尼以及CAMK2抑制剂KN93更为敏感。将阿法替尼和达沙替尼应用于移植了人鳞状细胞癌细胞系的FAT1野生型和敲除型小鼠体内，结果显示野生型对阿法替尼更敏感，FAT1基因敲除肿瘤细胞对达沙替尼更敏感，这与体外观察到的药物敏感性差异一致。

总的来说，这项研究表明在小鼠模型和人类癌症中，FAT1缺失会促进混合EMT状态产生，表现出肿瘤干性及转移能力的增加。同时，作者确认了表观遗传和转录机制，将细胞极性和细胞粘附性的丧失与Fat1缺失下游的混合EMT表型的诱导联系起来。此外，作者鉴定出导致Fat1 LOF下游YAP1和SOX2激活的信号级联，这一发现对于个体化的药物治疗，以及FAT1突变癌症患者的预后具有重要意义。

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03046-1

制版人：Kira

参考文献

1. 1. Morris, L. G. et al. Recurrent somatic mutation of FAT1 in multiple human cancers leads to aberrant Wnt activation.Nat. Genet.45, 253–261 (2013).

2. Dotto, G. P. & Rustgi, A. K. Squamous cell cancers: a unified perspective on biology and genetics.Cancer Cell29, 622–637 (2016).

3. The ICGC/TCGA Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes Consortium. Pan-cancer analysis of whole genomes.Nature578, 82–93 (2020)

4. Martin, D. et al. Assembly and activation of the Hippo signalome by FAT1 tumor suppressor.Nat. Commun.9, 2372 (2018).

5. Hu, X. et al. FAT1 prevents epithelial mesenchymal transition (EMT) via MAPK/ERK signaling pathway in esophageal squamous cell cancer.Cancer Lett.397, 83–93 (2017).

6. Srivastava, C. et al. FAT1 modulates EMT and stemness genes expression in hypoxic glioblastoma.Int. J. Cancer142, 805–812 (2018).