本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」
- 採訪撰文／林承勳
- 責任編輯／簡克志
- 美術設計／蔡宛潔
找尋 ALT 癌細胞的存活機制
癌症種類很多，有些是長時間基因突變與細胞受損發炎導致，少部分癌症則好發於兒童時期。兒童癌症往往有個共通點，就是癌細胞會用同源重組方式來延長端粒，好讓自己不斷大量複製，稱為 ALT 癌細胞（替代性延長端粒癌細胞）。長期研究端粒的中央研究院分子生物研究所陳律佑副研究員，他的研究成果揭露了 ALT 癌細胞逃避人體免疫系統的關鍵路徑，目前他正與臨床醫療機構合作，擬定治療兒童癌症的一系列計畫。至於端粒是什麼？ALT 癌細胞要如何延長端粒？請跟著中研院「研之有物」的專訪內容一同探索吧！
圖／iStock
近 40 年來，癌症一直是國人死亡的頭號殺手，已邁入高齡社會的臺灣，癌症醫療已成為衛生福利的重要焦點。然而，罹患癌症的不只是成年人。根據衛生福利部統計資料，在 2015 年之後，癌症也是兒童非事故死亡的主要原因（1-11 歲）。
不過，成人與兒童罹患的癌症種類有所不同。成人癌症通常是大腸癌、肝癌、肺癌等，這些發生在上皮組織的癌症（carcinoma），通常是經過長時間累積基因變異與細胞損壞才會發生；至於兒童癌症，主要是中胚層癌或胚胎型癌，例如腦瘤、軟組織瘤及骨癌等，不是經由體細胞基因變異累積，通常很早就發病。
目前因為兒童癌症病例比較少，投入的研究與醫療資源也相對缺乏。然而，中央研究院分子生物研究所副研究員陳律佑，他與研究團隊從端粒研究出發，解開兒童癌症的免疫逃避機制，後續將進一步找出預防和治療的方法，這對兒童癌症患者來說，將會是一大福音。
「端粒」是什麼？細胞壽命的限制器
生物身體成長與傷口復原都倚賴細胞分裂，以生產新細胞來汰換老舊或受損的細胞。然而，正常細胞會有分裂次數限制，當次數逐漸達到上限時，細胞就會慢慢停止生長或走向死亡，這就是所謂的「細胞衰老」。
癌細胞不一樣，當細胞突變成癌細胞之後，就沒有分裂次數限制。不會老化的癌細胞可以無限次數分裂和增長，最後，大量癌細胞會奪去身體的營養與資源，讓病者衰弱而死。造成正常細胞與癌細胞如此迥異的命運，關鍵就在於「端粒」的使用期限。
端粒是真核細胞染色體的保護構造。端粒的主要功能，就是維持染色體的完整性，並調控細胞分裂週期。
端粒（telomere）是真核生物染色體末端的特殊結構，由一段重複的相同序列 DNA 與許多蛋白質組成。以人類來說，端粒的重複 DNA 序列是「TTAGGG／CCCTAA」，最長可達約 15,000 個鹼基對。
「端粒跟染色體的關係，可以想像成鞋帶與尾端的塑膠套。」陳律佑舉例說，就像末端的塑膠套可以避免鞋帶繩逐漸鬆脫，端粒就是在染色體的端點發揮保護與區隔的功能。這樣一來，有端粒保護的染色體就不會被核酸酶降解；另外，端粒也能防止染色體彼此連結起來。
陳律佑指出，「如果沒有端粒，染色體的末端就會被細胞辨認為處於『斷掉』的異常狀態，於是 DNA 修復蛋白質就會把染色體末端相互連結，來試圖『修補』染色體。」
端粒的存在，確保了染色體不會錯誤連接、持續消耗，也確保染色體不會在複製及分裂時斷裂、遺失。
But！就像鞋帶塑膠套會逐漸磨損一樣，端粒也沒辦法無限期地保護染色體。每經過一次細胞分裂，端粒就會縮短數十到數百個鹼基，因此隨著分裂次數越多，端粒就會越來越短。
當端粒縮短到一定長度就會失去保護染色體的功能，使細胞產生 DNA 損害反應，或出現相互連接的染色體，接著因細胞分裂而導致 DNA 斷裂的現象，這些狀況都將使細胞停止生長，進入衰老。此時身體會啟動細胞凋亡（apoptosis）的機制，將無法再分裂的老化細胞汰除。
如何延長細胞壽命？特殊恢復酵素，端粒酶
隨著端粒縮短，體細胞持續老化，直到端粒無法使用，細胞生命就走到盡頭。在體細胞裡，端粒縮短是不可逆的過程，細胞衰老無法停止。
然而，在生殖細胞跟胚胎幹細胞中，有種酵素叫作端粒酶（telomerase），可以把「TTAGGG」序列添加回到端粒，所以端粒可以補充、維持，甚至變得更長！因此相較於體細胞，生殖細胞與胚胎幹細胞可以有更多的分裂次數。
其實，成體幹細胞也有端粒酶，但數量不足，因此修補端粒的速度趕不上消耗速度，端粒會逐漸縮短。所以即使帶有端粒酶，但成體幹細胞還是會衰老，只是速度比體細胞慢些。
至於人體的生殖細胞裡，端粒酶數量就很足夠，而且一直存在。「研究發現，有些年長者生殖細胞染色體的端粒長度，甚至比年輕人的端粒還要長。」陳律佑提到。在端粒酶的幫助之下，生殖細胞就可以一直分裂，以產生精子。
延長端莉的第二種方法：DNA 同源重組
除了端粒酶，真核生物還有另一種延長端粒的方法，利用細胞內 DNA 同源重組（Homologous recombination）來進行。「 藉由 DNA 同源重組的機制，較短的端粒，會去找另一條來配對，接著 DNA 聚合酶會以長的那條染色體當模板，幫助短的端粒加長。」陳律佑說。
DNA 同源重組機制也可以延長端粒，但平常被抑制住了。
不過，在一般人體體細胞裡，是不會觀察到端粒 DNA 同源重組的，所以體細胞還是沒有辦法藉此延長端粒；而幹細胞或是被活化的免疫細胞中偶爾才會發生。同樣是真核生物的酵母菌平常也都是藉由端粒酶延長端粒。
早期端粒領域的研究發現，去除端粒酶的酵母菌，成長過程中端粒雖如預期般逐漸縮短，然後酵母菌慢慢地停止生長。但持續培養一段時間後，酵母菌居然能夠使用 DNA 同源重組來延長端粒，又重新開始生長。
陳律佑表示， DNA 同源重組機制在生物演化過程中，可能扮演重要的角色，但不知道什麼原因，這個機制在細胞中是被抑制住的。「其中一種可能性是，DNA 同源重組機制被大量活化可能會給細胞帶來負擔或是不好的後果，所以才被抑制住。但這些還需要進一步研究。」陳律佑說。
兩種恢復法，癌細胞選哪個？
癌細胞之所以不會走向細胞凋亡的結局，關鍵就在於擁有延長端粒的能力。癌細胞跟生殖細胞一樣，擁有充份的端粒酶活性。所以癌細胞在分裂過程中，消耗了的端粒還是能持續補充回來，癌細胞因此擁有無限分裂次數的能力，一直保持在最佳生理狀態。
不過，並非所有種類癌細胞都是端粒酶富翁。大約有 80%～90% 的癌症，其癌細胞中有大量端粒酶可以修補端粒；其餘 10%～20% 的癌症，例如兒童腦瘤、軟組織瘤及骨癌等癌症，則主要是用同源重組機制來延長端粒。
一般的情況下， DNA 同源重組機制在體細胞中會被抑制，但 ALT 癌細胞中的抑制作用消失了，於是 DNA 同源重組機制就能順利運行，延長癌細胞端粒、讓癌細胞生生不息。
使用 DNA 同源重組機制延長端粒的癌細胞，稱為替代性延長端粒（alternative lengthening of telomeres）癌細胞，簡稱 ALT 癌細胞。
ALT 癌細胞漏出的馬腳：ECTR DNA
當細胞啟用 DNA 同源重組機制來延長端粒時，會產生許多副產物：染色體外端粒 DNA（extrachromosomal telomere repeat DNA，簡稱 ECTR DNA）。「簡單來說，就是在端粒加長時，DNA 同源重組機制出現錯誤，讓 DNA 片段掉出來，變成 ECTR 。」陳律佑解釋。
也就是說，端粒增長時，失控的 DNA 同源重組使端粒 DNA 斷裂，進而形成長短不一、呈片段狀的 ECTR ；另一方面，端粒 DNA 尋找延長模板時，也可能反折，用自己的序列複製，端粒會彎曲形成一個圓圈來複製序列，這時偏差的 DNA 同源重組反應也會讓 DNA 斷掉， 變成圓圈的 ECTR。
總之，DNA 同源重組機制產生長短與形狀不一的 ECTR ，會從端粒附近慢慢向外游離，接著從細胞核一路漂到細胞質。
正常的體細胞，細胞質裡不會有遺傳物質。只要在細胞質中觀察到 ECTR DNA，表示該細胞的端粒正在進行同源重組，很可能已經突變成 ALT 癌細胞。
因此陳律佑認為，ECTR DNA 可以作為 ALT 癌細胞的一種生物標記。
用不尋常的 ECTR DNA，召喚免疫大軍
在真核生物的細胞裡頭，只有兩個部位會出現 DNA ，一個是細胞核，存放著大量重要的遺傳物質；另一個是細胞能量工廠粒線體，它擁有自己的 DNA 。正常情況下，在細胞質裡不應該有遺傳物質出現。
「細胞質出現遺傳物質，大部分是受到病原入侵。」陳律佑指出，例如病毒感染細胞後，會把自己的遺傳物質注射進到細胞質，並且利用宿主細胞資源來複製所需的各種零件與遺傳物質，重新組裝成更多病毒顆粒。
當細胞遭遇入侵者時，會啟動一連串免疫反應來抑制外來入侵者。然而，從偵測 DNA 到啟動免疫反應中的詳細機制，多年前都還是眾說紛紜，近幾年才逐漸明朗。
陳律佑表示，cGAS-STING 反應路徑（cGAS-STING pathway），就是細胞質游離 DNA 啟動免疫機制的關鍵。
cGAS-STING 路徑，是藉由細胞質裡的一種合成酶 cGAS（cyclin GMP-AMP synthase）來偵測並結合游離在細胞質中的 DNA 。結合後，cGAS 會被活化，接著會把三磷酸腺苷（ATP）與三磷酸鳥苷（GTP）合成一種環狀二核苷酸（cGAMP）。
這種分子會進一步啟動干擾素刺激因子 STING（stimulator of interferon genes）以及後續的連鎖反應，誘導免疫細胞產生干擾素、細胞激素等物質，並引起發炎等非專一性的先天免疫反應。
這樣一來，感染細胞的一切運作會被強制停止。原本受病毒感染的細胞，其內部幫助病毒複製零件的生產線就會被切斷。同時，被干擾素吸引來的樹狀細胞（dendritic cell）、巨噬細胞（macrophage）等先天免疫細胞，也會清除被感染的細胞。
本來應該要啟動免疫系統，實際上卻毫無反應
ECTR DNA 也是不該在細胞質出現的基因碎屑。當 DNA 同源重組機制因為未知原因，被細胞重新啟動來延長端粒時，作為副產物的 ECTR 會從細胞核往外漂到細胞質。
正常來說，細胞偵測到細胞質不應有的遺傳物質片段 ECTR，就會判定異常並發出警報，經由 cGAS-STING 路徑啟動免疫連鎖反應。
等等！既然 ECTR 會觸發 cGAS-STING 路徑，那麼使用 DNA 同源重組機制延長端粒的 ALT 癌細胞不是就會被免疫系統察覺和消滅才對嗎？
實際上並沒有。
陳律佑指出，研究團隊的實驗結果顯示，在正常人類細胞中，ECTR 的累積的確會活化 cGAS-STING 蛋白感知路徑，促使細胞分泌出干擾素，激發先天免疫反應並抑制細胞生長。
但在 ALT 癌細胞株裡面，cGAS-STING 蛋白的感知反應消失了！不論是 ECTR 或是其他細胞質游離 DNA，都不會開啟 cGAS-STING 路徑，免疫反應也就不會啟動。於是，癌細胞就能逃避免疫系統的攻擊，並肆無忌憚地不斷增生。
「我們設計了體外的癌細胞實驗，證明出 STING 蛋白在 ALT 癌細胞株裡被抑制。」陳律佑表示，目前 STING 蛋白被抑制的原因還有待進一步實驗來探討，但團隊已經確認 ECTR 並沒有啟動 cGAS-STING 路徑、沒有激發免疫反應，都是因為 STING 蛋白消失的緣故。
讓 ALT 癌細胞逃脫的秘密，就是消失的 STING 蛋白。
但是，即使促進 STING 蛋白的表現，也不能保證能夠解決癌細胞，因為免疫系統很複雜，促進免疫表現也可能誘發免疫風暴。目前臨床已有的溶瘤病毒療法（oncolytic virus therapy）是一個可行的方案，因為 ALT 癌細胞關閉了 cGAS-STING 反應路徑，很容易被病毒感染，可以透過病毒專一性感染癌細胞，讓癌細胞消退（regression）。
雖然還有很多謎題有待釐清，例如 ECTR DNA 如何觸發 cGAS-STING 路徑、影響癌症生成等。然而陳律佑團隊的研究成果，已經對於兒童癌症治療有重要貢獻和知識引導作用，特別是腦瘤、軟組織瘤及骨癌等 ALT 癌症，有助於後續人們針對 ALT 癌症開發更有效的治療方法。陳律佑最近與和信治癌中心醫院的醫師陳榮隆展開合作，結合中研院豐沛的研究成果與前線臨床醫療，讓更多病者可以得到妥善照護。
延伸閱讀
- 陳律佑個人頁面
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- 中央研究院（2017）。〈發現癌細胞迴避免疫系統關鍵機制 有助發展癌症免疫治療〉，《中央研究院》。
