表观因子KMT2C/D突变三阴性乳腺癌脑转移的新机制

2024-07-23

引言

乳腺癌是最常见的癌症，也是全球女性癌症相关死亡的主要原因，根据雌激素和孕激素受体以及人类表皮生长因子受体2（HER2）的表达，可将其分为激素受体阳性、HER2阳性或三阴性乳腺癌 (TNBC) 三种。这之中属TNBC远端转移的风险最高，预后最差，大约30%的转移性TNBC患者发生脑转移，总生存期最短【1】。

有研究发现，与原发乳腺肿瘤相比，组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶2C（KMT2C）在远端转移中更常发生突变。同时，KMT2C和KMT2D在乳腺癌脑转移中也经常发生突变，提示了功能上的相关性。KMT2C和KMT2D可编码组蛋白H3赖氨酸4（H3K4）甲基转移酶，催化未甲基化的H3K4位点发生甲基化，形成单甲基化（H3K4me1）。H3K4me1e可在活性或准备状态的增强子和启动子区域富集，并能够招募其他组蛋白修饰酶，例如组蛋白H3K27的乙酰转移酶（例如P300）和去甲基化酶（例如KDM6A），对于基因表达的调控至关重要。KDM6A和KMT2C或KMT2D是SET1相关蛋白表观遗传调控复合体（COMPASS）的组成部分，并且KDM6A的结合依赖于KMT2C的存在，而与其催化活性无关。KMT2D与COMPASS复合体其他组分的结合也与其酶活性域无关。因此，KMT2C和KMT2D被认为是COMPASS复合体的核心蛋白，缺乏它们中的任何一个都会影响表观遗传景观【2,3】。然而，目前KMT2C/D突变如何影响表观遗传和转录组景观以促进肿瘤发生尚不清楚，哪些潜在途径可能驱动KMT2C或KMT2D缺陷肿瘤的转移也未可知。

近日，来自美国丹娜-法伯癌症研究所的Kornelia Polyak团队在Nature Cell Biology上在线发表了文章Loss of Kmt2c or Kmt2d drives brain metastasis via KDM6A-dependent upregulation of MMP3，发现在非转移性TNBC小鼠模型中，Kmt2c或Kmt2d的缺失会导致转移（尤其是脑转移），揭示了KMT2C或KMT2D缺失通过KDM6A依赖的方式促进MMP3的表达，从而驱动TNBC的脑转移的新机制，不仅在表观遗传层面为TNBC的治疗提供了新的视角，也为开发针对脑转移的靶向治疗策略提供了潜在靶点。

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来源: 生物探索

本文研究人员发现，KMT2C和KMT2D是TNBC中最常见的突变基因，可分别在8.0和8.7%的肿瘤中检测到。与匹配的原发性TNBC相比，KMT2C和KMT2D的表达在远端转移中显著降低，提示KMT2C/D功能的丧失在转移中起作用。为了研究Kmt2c和Kmt2d缺乏的后果，研究人员在小鼠的乳腺脂肪垫（MFP）中注射带有H2B-mCherry标签的非转移性小鼠乳腺肿瘤细胞系168FARN，发现虽然原位肿瘤生长不受影响，但在注射了Kmt2c或Kmt2d基因敲除（KO）168FARN细胞的小鼠中，肝脏、肺和大脑中出现了mCherry+的微转移病灶。与匹配的原发肿瘤相比，转移瘤中Kmt2c和Kmt2d的表达普遍较低，表明它们确实来源于KO细胞。重要的是，Kmt2d KO细胞中没有Kmt2c的代偿性上调，反之亦然。

随后，研究人员对MFP注射的168FARN来源的原发性肿瘤进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。根据mCherry和上皮标记物Krt8的表达识别肿瘤上皮细胞，并用已知的细胞类型特异性标记物来注释基质细胞，结果发现Kmt2c和Kmt2d KO的肿瘤细胞与野生型（WT）明显分离。差异表达基因（DGE）分析发现，与WT相比，两种KO肿瘤细胞中Ly6a、Bst2、Ifi27l2a和Stat1表达显著上调，暗示了一种通过潜在的干扰素信号激活而产生的促炎环境。与此同时，对非上皮细胞进行亚聚类和注释，并根据基因型对它们进行分组，发现KMT2C和KMT2D的缺失对肿瘤微环境中不同类型的细胞亚群有特定的影响，但Kmt2c或Kmt2d缺失相关的免疫抑制可能不是其转移表型的主要驱动因素。

为了剖析Kmt2c或Kmt2d缺失引起的细胞内在变化，研究人员首先关注了作为KMT2C和KMT2D的直接靶点的组蛋白。定量组蛋白质谱分析显示，与WT相比，两种KO细胞的组蛋白修饰相似，KMT2C或KMT2D基因敲除会导致H3K4me1和H3K27me3水平显著降低，而H3K27ac水平显著升高。通过染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）技术，研究人员发现Kmt2c KO和Kmt2d KO细胞中H3K4me1和H3K27ac的峰值有显著的增加或减少，而H3K27me3的峰值变化不大。KDM6A——H3K27me3去甲基化酶，是KMT2C/D COMPASS复合物的一部分，KDM6A-ChIP-seq结果显示，与WT细胞相比，KO细胞中的峰值显著增加，且峰丢失很少。与此同时，RNA-seq分析显示，与WT细胞相比，Kmt2c KO和Kmt2d KO细胞存在大量DGE，这些基因表达的变化更多是独特的，而不是两者之间共享的，但都影响了上皮-间充质转换（EMT）的平衡。值得一提的是，即使在没有EMT的情况下，也能观察到Kmt2c和Kmt2d缺失促进转移的作用。进一步地利用结合与表达靶标分析（BETA）整合RNA-seq和ChIP-seq数据，研究人员发现在Kmt2c KO和Kmt2d KO细胞中，增加的H3K4me1、H3K27ac和KDM6A峰与上调基因显著相关，而丢失的H3K4me1和H3K27ac峰分别与下调基因显著相关，H3K4me1, H3K27ac和KDM6A具有相似的靶基因调控。这些结果提示KMT2C/D的缺失可通过影响染色质状态来调控基因表达，进而可能影响肿瘤的转移，而KDM6A可能是KMT2C/D缺失相关转录组变化的介质。

为了识别Kmt2c和Kmt2d KO细胞转移表型的共同表观遗传调控驱动因素，研究人员整合了H3K4me1和H3K27ac ChIP-seq中显著增加的峰以及在癌细胞RNA-seq和scRNA-seq中显著上调的基因，结合实验验证，证实基质金属蛋白酶3（Mmp3）是唯一重叠的基因。更重要的是，对临床样本的分析发现，与WT肿瘤相比，MMP3在KMT2C突变的TNBC中表达明显更高，并且 MMP3高表达肿瘤的KMT2C突变频率明显更高。进一步地利用shRNA在Kmt2c和Kmt2d KO细胞中下调Mmp3的表达，并将其注射到小鼠体内，结果表明，Mmp3的下调显著减少了Kmt2c和Kmt2d KO细胞的脑转移。已有的MMP抑制剂临床试验表明，其毒性高且疗效低。不过，庆幸的是，研究人员发现，通过shRNA或药理学抑制KDM6A能够减少Mmp3的表达，并在小鼠模型中减少Kmt2c和Kmt2d KO细胞的脑转移，表明通过靶向KDM6A间接抑制MMP3可以阻止KMT2C或KMT2D突变肿瘤的转移。此外，研究人员还发现，KDM6A的抑制对小鼠是耐受的，这表明KDM6A抑制剂可能在临床上对TNBC患者具有潜在的应用价值。

综上所述，本研究阐明了KMT2C/D突变导致的染色质重塑和组蛋白修饰变化，通过KDM6A间接影响MMP3的表达，从而诱导TNBC远端转移的分子机制。同时证明通过抑制KDM6A的活性，可以减少MMP3的表达，并可预防由KMT2C/D突变引起的脑转移（图1），不仅增进了人们对TNBC转移机制的理解，也为开发新的治疗策略提供了有价值的信息。

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来源: 生物探索

参考文献 1. Darlix, A. et al. Impact of breast cancer molecular subtypes on the incidence, kinetics and prognosis of central nervous system metastases in a large multicentre real-life cohort. Br. J. Cancer 121, 991–1000 (2019). 2. Morgan, A. J., Giannoudis, A. & Palmieri, C. The genomic landscape of breast cancer brain metastases: a systematic review. Lancet Oncol. 22, e7–e17 (2021). 3. Sze, C. C. & Shilatifard, A. MLL3/MLL4/COMPASS family on epigenetic regulation of enhancer function and cancer. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 6, a026427 (2016). https://doi.org/10.1038/s41556-024-01446-3

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