今天阅读一篇关于原癌组蛋白的一篇综述,通讯作者是哥本哈根大学的Kristian Helin教授,也是一位表观遗传学界的大佬,发表过很多有关H3K27M肿瘤的一些研究。
本文涉及的一些科学问题
- 为什么原癌组蛋白主要限于特定的癌种,尤其是儿童肿瘤(DIPG)?
- 为什么组蛋白的突变局限于特定的基因中(H3F3A)?
- 组蛋白突变驱动的肿瘤最初的细胞类型(OPC)?
- 除了目前揭示的几种突变之外,是否还有其他的突变导致了原癌组蛋白的出现?
- 原癌组蛋白是怎样影响整体的染色体构象,并最终导致肿瘤的发展?
关于组蛋白
- 组蛋白可以分为一些经典类型和变体,已经典型为主,主要在S期合成,并且与DNA的复制过程相互偶联;变体的合成没有细胞周期的限制;
- 组蛋白携带了大量的翻译后修饰,并被很多特定的生物酶进行维持和去除,这一过程的异常会导致肿瘤发展和发育异常;
- 原癌组蛋白的定义:在特定的氨基酸位点出现错义突变的组蛋白;
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从H3突变引发的肿瘤往往发生在特定的部位,可以推测这种突变一定发生在特定的肿瘤发生细胞中;
组蛋白H3和它的变体
- H3.1和H3.2是H3的两种主要形式,此外还有包括H3.3在内的其他的变体;
- H3.1和H3.2在细胞周期中与CAF1结合,进行周期性的合成;而H3.3则与DAXX-ATRX/HIRA这两个分子伴侣进行结合;
- H3K27M突变和H3G34R/V首先在儿童高级别脑胶质瘤中被发现,随后H3K36M和G34W/L也在软骨肉瘤和骨巨细胞瘤中被发现,这两个疾病均以儿童为高发;
- K27M和G34V各自具有显著的疾病特征,并且在发生上互斥;
- K27M主要发生在组蛋白H3.3亚型中,在H3.1和H3.2的发生频率较低,具体机制仍然不清楚;
- H3.1K27M突变的胶质瘤好发于年轻患者的脑桥位置,并且比H3.3K27M的患者预后更好;
- 此外两者在基因表达谱上也存在差异,H3.1K27M肿瘤表达谱更为接近间质型和星状细胞瘤;但是H3.3K27M的肿瘤则更为接近前神经元型和少突细胞瘤;
- DNA层面,两者共突变的基因也不同,H3.1K27M与ACVR1和BCOR共突变;H3.3K27M胶质瘤易与PDGFRA,TOP3A,和TP53共突变;
儿童高级别脑胶质瘤中的H3K27M突变
- PRC2催化H3K27的甲基化,它同时拥有促癌和抑癌的效应;
- 在小鼠和人的细胞系中外源表达H3.3K27M和H3.1K27M都能够导致整体的H3K27me3水平下降,而一旦突变为K27I,这种效应就变得不如K27M明显;其他的突变则完全不存在H3K27me3 loss的效应;
- H3K27M细胞中仍然存在H3K27me3的位点,H3K27me3的信号密度甚至比原先的野生型更高;
- Funato等在2014年通过在ESC诱导的NSCs中外源表达H3.3K27M和PDGFRA,并同时敲低P53,能够诱导NSCs进入更为原始的状态;与H3WT过表达的NSCs相比,H3K27M外源表达的组,其H3K27me3分布的差异更为显著;
- 起始H3K27me3/PRC2水平较低的,H3K27me3被完全削弱;起始水平较高的,其H3K27me3往往没有变化;那些反向升高的,与起始的状态并没有特别显著的相关性;
- H3K27M胶质瘤通常伴随着CDKN2A的高甲基化修饰,抑制抑癌基因p16的表达水平,但是p16抑制如何导致肿瘤生成仍然未明确;
- H3K27me3的缺失是肿瘤生成的因还是果,这一关键问题,尚未得到明确;
- H3K27M突变只有在特定发育阶段才能导致肿瘤的发生;
- 尽管主流观点认为,H3K27M通过与PRC2进行结合,抑制其活性,但是采用单独突变的肽段抑制PRC2的功能却未能引起类似的效应;
软骨肉瘤中的H3K36M突变
- 软骨肉瘤中H3K36M突变频率能够达到95%,并且突变也会导致H3K36位点甲基化水平的改变;
- H3K36位点的甲基化也是由组蛋白甲基转移酶HMT催化的:NSD1,NSD2,NSD3以及ASH1是催化H3K36单甲基化和双甲基化的主要酶,但是SETD2是已知的唯一能够催化H3K26me2向H3K26me3转变的酶。并且H3K36me2和H3K36me3在有转录活性的位点有一定的富集;
- 除了对基因转录翻译的调控,有研究还提示,H3K36me2和H3K36me3与DNA修复,剂量补偿,剪接,等方面具有非常重要的作用。
- H3K36M突变会导致H3K36me2/3的缺失,K36M的肽段能够抑制NSD2和SETD2的功能;
- 全基因组水平的研究发现,H3K36M会导致整体H3K36me2水平的下降,并且伴随着转录水平的下调;
- H3的分布被发现没有随着K36M的突变发生改变,提示H3K36M并不影响H3的分布;
- 有趣的是,不同组蛋白突变产生的效应还会发生交联,例如:H3K36M的表达会导致H3K27me3水平的上调
- 随着H3K36M与SETD2晶体结构的解析,发现H3K36M对SETD2是类似与H3K27M与PRC2的结合的。
儿童高级别脑胶质瘤和骨巨细胞瘤H3G34
- H3G34R/V的肿瘤在病理学上与H3K27M具有显著的差异;并且在临床特征以及预后情况上都有显著的不同;
- 与H3K27M不同,H3G34的突变并不能带来表观遗传学上的显著改变;
- 由于H3G34R/V在位置上与H3K36较为接近,因此H3G34的改变也会影响到H3G36me2/3的改变;
- 与H3K36M类似,H3G34突变的肽段同样能够插入到SETD2的核心结构域中,从而对SET的功能进行抑制;
- H3G34R只需要突变密码子上的一个核苷酸,而H3G34V则需要突变两次,这也解释为什么在儿童HGG中H3G34R的频率相对H3G34V更高;
- 除了与SETD2结合,H3G34R还能够破坏ZMYND11与H3.3K36me3的结合。
- H3.3G34R的表达能够增加MYCN的表达水平,并且有显著的基因不稳定事件;
对于原癌组蛋白表达的肿瘤进行表观组靶向治疗
- 为了对H3K27M导致H3K27me3水平下降的效应进行逆转,抑制H3K27me3的去甲基化酶的药物已经在儿童HGG中进行应用;相关靶点有JMJD3,UTX,通过GSK-J4进行抑制。有趣的是,GSK-J4仅对H3K27M突变的肿瘤有作用,而对G34改变的胶质瘤效果不大;相关机制仍然不太明晰;
- 另一种方式是没有选择性的组蛋白去乙酰化酶的抑制剂HDAC,随着H3组蛋白乙酰化水平的上升,其H3K27me3的水平也有显著的上调;这种效应是与直觉相悖的,因为一般来说,H3K27M突变的肿瘤中,组蛋白乙酰化水平是上调的。但是组蛋白去乙酰化酶抑制剂的作用靶点非常广泛,也为其临床的应用前景蒙上阴影。
- H3K27乙酰化水平的上调也导致其与BRD蛋白结合增强,通过抑制BRD蛋白的功能,也被发现能够抑制H3K27M肿瘤细胞的增殖活性;
- 尽管H3K27M肿瘤中PRC2的活性被抑制,但其残余活性仍然对细胞的存活十分关键。因此,抑制EZH2能够显著地抑制DIPG细胞的活力。研究发现一旦删除p16的表达,DIPG对EZH2抑制剂的敏感性就大大下降,提示EZH2的作用可能是通过抑制p16发挥的。由于p16与RB蛋白的结合被抑制,下游的CDK表达活跃,进而导致细胞周期的异常。因此,相应地抑制CDK4/6的功能,也对DIPGs的增殖活性具有抑制作用。
总结
- 近十年来,有关组蛋白突变对于表观遗传学的研究被大量报道,也增加了我们对于原癌组蛋白的认识和理解
- 需要注意到,在H3K27M突变的肿瘤中,仍然具有残余的PRC2的活性,因此K27M对PRC2的抑制并不是绝对的;如果进一步抑制PRC2的功能,对于DIPG细胞反而是致死性的;
- K4/K9的突变在细胞系水平也被证明能够显著地影响基因组的甲基化水平,但是在真实病人中并没有发现,其具体的机制仍然值得进一步探究。