APC简介
今天为大家分享APC基因在肿瘤领域的一些内容，APC基因即腺瘤性结肠息肉病基因，是一个位于五号染色体区域bp的基因，在超过80%的结直肠癌（CRC）患者中，都能检测到APC基因的突变。
如图1所示，是APC的基因结构，APC蛋白有多个功能区，最左侧的寡聚区发挥显性抑制作用；arm重复区是最保守区域，与Asef、IQGAP1和KAP3结合，刺激细胞迁移和粘附；15/0残基重复区和SAMP重复区通过降解β-catenin，负调节Wnt途径；基础区和C末端区与微管结合，直接或间接与EB1作用，稳定微管和着丝粒、促进染色体聚集。总之APC在细胞迁移、粘附、增殖、分化和染色体聚集等过程均发挥作用。
图1：APC基因结构示意图[1]APC突变小鼠模型研究证实，APC突变与肠道肿瘤发生有关。在对CRC患者的大数据筛查发现，超过90%的APC突变为终止密码子提前，产生截短蛋白。CRC的APC突变谱如图所示，14.3%是错义突变，85.7%为截短突变。图：APC基因突变类型及分布[1]与正常相比，截短突变的APC中的C末端截短蛋白缺少与微管、EB1和β-catenin的结合区域，诱导染色体不稳定、促进增殖、抑制分化（图3）。图3：截短突变的APC结构示意图[1]APC基因突变后功能变化如图4所示，丢失的功能包括导致Wnt通路活化、细胞粘附丧失、细胞周期控制缺陷、BER和DSB修复功能受损、诱导纺锤体功能异常和染色体异常聚集。获得的功能包括拮抗凋亡、强烈刺激细胞迁移、干扰微管和纺锤体节点控制、增强细胞增殖、生长和侵袭等。图4：APC基因突变导致的功能变化[1]APC与Wnt信号通路
APC突变导致的功能变化大部分与Wnt信号通路相关，Wnt信号通路广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物中，是一类在物种进化过程中高度保守的信号通路。Wnt信号在动物胚胎的早期发育、器官形成、组织再生和其它生理过程中，具有至关重要的作用。如果这条信号通路中的关键蛋白发生突变，导致信号异常活化，就可能诱导癌症的发生。Wnt信号通路十分复杂，目前认为它包括三个类别：经典Wnt信号通路，即Wnt/β-cantenin信号通路；Wnt/PCP通路(plannercellpolaritypathway)；Wnt/Ca+通路，由Wnt5a和Wnt11激活。下面主要讲一下与APC相关的经典Wnt通路。图5：Wnt信号通路详图[]如图5所示，当细胞没有接受Wnt信号刺激时，细胞质内的β-Catenin与GSK3等形成降解复合物，最终通过泛素化修饰而降解。Wnt信号的激活就是指分泌型的配体蛋白Wnt与膜表面受体蛋白FZD结合后，激活胞内蛋白DVL。DVL通过抑制GSK3等蛋白形成的β-Catenin降解复合物的降解活性，稳定细胞质中游离状态的β-Catenin蛋白。胞浆中稳定积累的β-Catenin进入细胞核后结合LEF/TCF转录因子家族，启动下游靶基因的转录。基因突变常使APC蛋白缩短，使APC蛋白空间结构发生改变，会导致降解复合物无法正常形成，不降解β-catenin，当胞浆内β-catenin的含量高于某一数值时，β-catenin会移向细胞核内，细胞核内的转录因子同进入细胞核的β-catenin互相作用，使核内转录因子TCF／LEF活化而启动Wnt途径的生物学效应，调控c-myc，cyclinD，mmp-7等基因表达，达到了Wnt通路持续活化的效果。最近6月份的nature杂志中连发了三篇APC相关文章，也都与Wnt通路密切相关，其核心思想便是癌细胞会通过抑制周围正常细胞的生长从而在周围积累癌细胞，扩大癌变的范围。其中有两文都使用了相似的工具手段——通过在体外培养类器官从而判断不同类型细胞的生长状态，并且通过混和培养不同类型的细胞，最终确定APC突变细胞会明显抑制周围野生型干细胞的生长。第一篇文章[3]通过构建体外类器官证实了APC突变细胞会抑制野生型生长，诱导其分化、凋亡。此外，研究人员在突变细胞中检测到了异常高水平的Wnt拮抗剂如Notum、Dkk1、Wif1的表达与分泌。在认识到APC突变细胞可能通过分泌Wnt拮抗剂对于周围细胞产生影响，研究人员采用了GSK3β的抑制剂LiCl实现对Wnt通路的激活效果，结果显示在APC突变细胞与野生型细胞混合培养的类器官中，添加了LiCl的类器官的APC突变细胞的扩张趋势被明显抑制。图6APC突变细胞显著抑制周边野生型类器官的生长[3]第二篇文章[4]则是重点专注于Notum，对APC突变细胞进行转录组分析后，在几种Wnt拮抗因子中，其表达升高最多。研究人员构建了一个能够实现对肠道干细胞可视化谱系追踪的细胞株，并且通过使用条件培养基培养从而证实APC突变细胞能够分泌Notum抑制野生型肠道干细胞的生长，促进其分化。此外，研究人员也采用了不同手段抑制Notum，证实能抑制突变细胞的快速增殖，减少其竞争优势（图7）。图7APC突变细胞通过NOTUM抑制野生型IPSC生长[4]第三篇文章[6]的研究人员提出了一个能在同一组织差异追踪癌基因突变和野生型细胞的多色报告小鼠模型RedOnco系统，通过该系统，表达Kras或Pik3突变的肠道组织，会促进周围干细胞分化。再通过进一步的单细胞分析发现，Kras与Pik3以及Apc的突变会导致自身以及周围的信号环境发生变化，从而加快癌细胞取代正常细胞的进程。
图8：APC突变细胞通过Wnt拮抗剂成为超级竞争者[5]APC与结直肠癌治疗
通过调控Wnt/β-Catenin信号通路中的关键蛋白，筛选分子药物治疗由APC基因突变引起的CRC等相关疾病，已经是一条充满希望的赛道。图9：APC基因恢复可导致肿瘤细胞恢复[7]年Cell上的这项研究研究显示APC基因恢复后肿瘤会发生萎缩，重新建立稳态。为了确定是否需要受损的APC来维持肿瘤，作者建立了一个CRC小鼠模型，APC可以使用强力霉素调节的shRNA有条件地抑制。APC被抑制导致产生小肠和结肠腺瘤，在Kras和p53突变的存在下，可进展为浸润性癌。在已建立的肿瘤中，APC修复可促进肿瘤细胞快速和广泛地分化和持续地恢复而不复发。肿瘤消退伴随着正常稳态的重建，异常增殖的细胞重新获得自我更新和多向分化能力。研究表明，在适当的信号下，CRC细胞可以恢复到功能正常的细胞，并为Wnt通路作为CRC治疗的治疗靶点提供了强有力的体内验证。图10：低血清浓度下，TASIN-1特异性击杀癌细胞[8]目前几乎没有药物直接靶向非Wnt途径去治疗，有一项研究是小分子截短APC选择性抑制剂TASIN-1能特异性杀死癌细胞，从而抑制APC突变引起的CRC，且对正常APC细胞无明显影响。研究显示低在血清浓度下，内源性胆固醇生物合成途径和APC截短发生协同致死性相互作用，特别是TASIN-1诱导胆固醇竭耗后，SREBP的反馈性活化削弱。上图WTAPC细胞中，TASIN-1诱导胆固醇耗竭，使SCAP构象改变，从INSIG释放后帮助SREBPs从内质网转运至高尔基体，经S1P和SP裂解后转位于核，促进与胆固醇合成和摄取有关的基因活化，代偿胆固醇的减少，细胞得以生存；低血清浓度培养下，截短APC削弱了TASIN-1治疗后的正常反馈机制，细胞因胆固醇耗竭凋亡。图11：APC在BER中的作用[9]还有通过APC调节化疗药物效果的研究，DNA烷基化剂，如甲基甲烷磺酸盐(MMS)诱导DNA损伤，可以导致癌细胞凋亡。BER机制可以修复烷基化剂引起的DNA损伤，抑制这些药物的疗效。APC作为DNA修复系统的抑制剂，在单核苷酸碱基切除修复(SN-BER)系统中与DNA聚合酶b(Pol-b)相互作用，在长片段碱基切除修复(LP-BER)系统中与人瓣状内切核酸酶1（Fen-1）相互作用。因此，功能完整的APC可能通过阻断BER机制来提高MMS等烷基化药物的效率，APC基因受损的细胞对于此类化疗药物会呈现更高的药物抗性。组蛋白去乙酰化酶(HDACs)通过去除核小体核心颗粒中超乙酰化组蛋白中的乙酰基，参与染色质结构重塑和基因表达。HDACs通常会抑制一般基因的转录，而HDACs的异常激活与包括CRC在内的多种癌症的发展相关。HDAC抑制剂如吉非替尼可以通过EGFR通路实现肿瘤治疗效果。图1：APC对EGFR通路影响[10]Huang等人证明，表达突变APC的结肠癌细胞对HDAC抑制剂具有相对抗性。吉非替尼耐药是其临床应用于癌症治疗的一大挑战。癌细胞中吉非替尼耐药的机制仍不清楚。他们发现APC低表达的CRC细胞中EGFR磷酸化水平升高，并对吉非替尼更加敏感。此外，他们发现APC的下调增加了EGFR及其下游AKT和ERK1/信号通路的活性。相反，APC的过表达降低了EGRF及其下游通路的活性。总结与讨论
结直肠癌作为发布率高的致命癌症之一，找到特异性治疗手段刻不容缓，针对APC基因的研究已经引起了人们的