癌症中的拓扑异构酶II：

失手的魔术师，还是披着羊皮的狼?

李福洋

危险的游戏, 惊险刺激；可一旦失手，往往酿成悲剧。网上流传 “英国魔术师师表演锯活人成悲剧”这件事，不知真假，但是中国魔术师秦鸣晓在玩这项魔术时伤了自己却是真的。

细胞里也在时时上演这样危险的游戏，那爱冒险的魔术师就是拓扑异构酶II；它玩的可是“锯”断细胞内的DNA，再给接上，那可是真锯！

DNA就像两股拧在一起的绳。细胞每次分裂前，DNA双链都要解开，分别作为模板去指导合成新链；还有，DNA局部要应转录的需要时不时地被解开。

你可以想象一下，要想打开拧好的绳子，那可要克服绳子的“拧劲”；如果绳子很长，你打开了其中局部的小部分，那“拧劲”其实分布到旁边了，旁边的绳子会由于“拧劲”太大而形成缠结，绳子的结构就被破坏，很难再恢复回去。

DNA复制过程中，或在指导转录过程中，都会遇到上述的“绳子”的问题。还有，DNA复制后合成的新链和旧链“纠缠”在一起，怎么分开？为了解决这个问题，进化过程中，拓扑异构酶就应运而生了。

拓扑异构酶的基本工作方式（简单地讲）就是把DNA先临时剪断，松松劲，然后再连上。按照剪切DNA的方式可以分为I型(Topo I)和II型(Topo II)。I型拓扑异构酶只是把双链DNA中的一条切断，相对比较温和；而II型却要把两条都切断，那可是比较冒险的。

您大概不太清楚DNA两条链被同时切断究竟严重到什么程度。这么说吧，细胞内一个DNA双链断裂（如果不能修复）都可以要了细胞的命；而单链断裂，一个正常细胞每天大概有4000多个，只要在下一次DNA复制前修好就行，不那么急着要命。所以拓扑异构酶II抑制剂就成为临床重要抗癌药物。

(略额外介绍一下拓扑异构酶抑制剂。根据针对的酶类型，可以分为Topo I 抑制剂和和Topo II抑制剂两类，代表药物分别为喜树碱和足叶乙甙，其实基本上都是抑制拓扑异构酶的ATP酶部分，让酶只能切DNA，不能接DNA，这样给DNA制造损伤，从而杀死细胞。因为肿瘤细胞增殖活跃，DNA复制频繁，因此对拓扑异构酶抑制剂相对敏感；副作用是体内正常的增生活跃细胞也会受到伤害，这就是这类细胞毒性化疗药物的毒副作用。

一些植物中富含多酚类物质，如槲皮素、染料木黄酮、白藜芦醇等(quercetin, genistein, resveratrol)，都是很强的Topo II抑制剂。另外，茶叶中也富含多酚类，孕妇尽量减少饮茶，因为胎儿肝脏还没有发挥解毒功能，对这类成分比较敏感，这是有流行病学调查证据的。）

俗话说，常在河边走，怎能不湿鞋；老玩冒险的游戏，总有失手的时候吧？

本来，DNA复制这么重要的过程需要拓扑异构酶II来冒点险也就罢了，毕竟细胞一生（分裂一次算一生）只有一次，可是后来发现，在基因转录这个 “日常生活中”频繁发生的过程（如雄激素受体激活的基因转录）细胞竟然也用拓扑异构酶II这种来解决问题【1】，那不是“引狼入室”吗？

染色体转位（chromosome translocation）是癌症细胞的一个特征。简单地讲，就是两条不同的染色体接到一块去了；打个比方，胳膊和腿都断了，粗心的医生把胳膊接到腿的位置，断腿接到肩膀上。染色体转位的后果之一是本来不挨的两个基因结成一家了，成了一个新的“融合基因”。这两个基因原本良善，可是这一结合就不是好东西了，成癌基因了。比如导致白血病的癌基因Bcr-Abl, 还比如前列腺癌中的TMPRSS2-ERG，就是这么来的。（除了转位，还有其它后果，大家可以发挥想象力推测一下）。

关于染色体转位的可能机制，主要有两种假说。一种是DNA双链断裂假说。这听起来好像有点像废话，DNA双链断裂是染色体转位发生的前提，就像胳膊腿不断，怎么会有接错这种事情发生？不错，但是这里说的是断裂次数太多，难免偶尔出错。可是，在正常情况下，在一个应以条件和管理都十分到位的医院，医生能那么粗心接错的可能性会有多大？因此还有第二种假说，认为细胞内DNA断裂修复的调控机制功能异常是重要原因；就像是：断裂经常有，接错不常有，蒙古医生多（或医生不尽职，或管理混乱），接错就“常有”了（怎么有点像医患纠纷？）。细胞内确实存在引导DNA断裂正确修复机制的存在，这也是这几年DNA修复研究的一个小热点。我前老板的实验室08年就在这方面发了一篇Nature,作者之一（复旦本科毕业学生）博士毕业后到Sloan Kettering 新实验室换个系统，最近又发了一篇（Nature structure Mol Biol）。

当然，这时你可能会很高明地说，把两种假说综合应该更合理。说的不错，但在实际研究中，尤其是做机制性探索，我们往往喜欢把变量因素控制得越少越好，最好能集中在一种变量上。如果变量太多，结果往往是一笔糊涂账。我们实验设置那么多对照，就是为了排除其它变量因素的影响。

不过，不论是上述哪种假说，都还没有得到直接证据，也就是说还没有把染色体转位的发生和融合癌基因形成的过程真实地还原出来。为什么？因为染色体转位是个小概率事件，我们很难通过细胞学手段去实时（real time）观察。

似乎扯远了。在回到拓扑异构酶II. 我们几天其实要讨论的主要是DNA双链断裂和染色体转位、融合癌基因形成。

临床观察发现用拓扑异构酶II抑制剂抗癌反而引起继发性癌症，如白血病，而且发现有染色体转位。2009年，范德比尔大学的Neil Osheroff教授以“The DNA cleavage reaction of topoisomerase II: wolf in sheep’s clothing）为题写了一篇综述，详细介绍了II型拓扑异构酶的催化原理。把拓扑异构酶II催化的反应比成“披着羊皮的狼”（拓扑异构酶催化的DNA切割反应：披着羊皮的狼”）

可话又说回来了，“披着羊皮的狼”这一指控其实是缺少直接证据（实验学证据）； “作案”细节也是完全缺乏的，怎么办？这时候就需要发挥想象力，做出各种推测，然后通过实验进行人工模拟还原可能的作案细节。

这里我为大家介绍一项新证据。这是一篇发表Nature Genetics上的一篇article，典型的Hypothesis driven 研究【2】。假设之大胆、数据之多（正文7幅图，补充数据中19幅图，4个表）都不多见。一般说来，非同寻常的主张就要非同寻常的证据，数据多是必须的。

这篇article的题目：很勾人，正如王守业老师描述的“两性”。

Androgen-induced TOP2B-mediated double-strand breaks and prostate cancer gene rearrangements。

雄激素在前列腺癌发生起重要作用；50%以上前列腺癌存在由于染色体转位形成的融合癌基因TMPRSS2-ERG； TMPRSS2和ERG都是受雄激素受体调控的靶基因；由于雄激素受体激活靶基因表达过程中需要Top II来解决DNA拓扑结构问题[1]，加上以往大家对Top II形成的“狼”印象，作者提出下面这个假设： Top II在帮助解决基因雄激素靶基因转录中DNA拓扑问题的同时，这种冒险行为（反复切割DNA形成双链断裂）直接导致染色体转位以及融合癌基因（如TMPRSS2-ERG）的形成。

这项研究通过实验还原了 Top II如何与雄激素“狼狈为奸”，引起特定基因部位DNA双链断裂，其中包括TMPRSS2 和ERG，然后这些断裂如何接错，形成新的癌基因TMPRSS2-ERG。研究通过选择合适的细胞系统，通过巧妙的设计，从细胞学水平捕捉到那个鲜见的染色体转位和融合癌基因形成的事件， 实验设计逻辑线路十分清晰，特向感兴趣又有余力的朋友推荐。

细节我就不叙述了，太具体，专业口味太重。

[1] Ju, B.G. et al. A topoisomerase IIβ-mediated dsDNA break required for regulated transcription. Science 312, 1798–1802 (2006).

[2] Haffner MC, et al.  Androgen-induced TOP2B-mediated double-strand breaks and prostate cancer gene rearrangements. published online 4 July 2010. 42(8):668-676

全文

Androgen-induced TOP2B-mediated double-strand breaks and prostate cancer gene re.pdf

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