KDM6A

引言 癌症，是动态进化的，以选择性地在外来肿瘤环境中茁壮成长，例如癌细胞扩散的侵袭性前沿和远端器官。在进化过程中，肿瘤细胞经常重新利用组织固有的发育和致癌程序来获得生存优势，从而偏离其最初的细胞身份【1】。胰腺癌是一种高度恶性的肿瘤，其特点是肿瘤细胞具有显著的分子多样性，可以表现出不同的细胞身份。对胰腺癌的分子分类研究识别出不同的分子亚型，这些亚型与肿瘤的侵袭性、化疗反应和疾病预后有关。特别是，研究人员发现了两种主要的分子亚型：一种是保留了大量胰腺导管特征的亚型，另一种是预后较差的亚型，这种亚型的特点是失去了导管谱系的特征，并异常激活了基底细胞或鳞状细胞程序。在胰腺癌的发展过程中，肿瘤细胞可能会经历一种称为鳞状转分化的过程，即从导管细胞表型转变为鳞状细胞表型。这种转变与肿瘤的侵袭性和不良预后有关【2,3】。尽管已经有一些研究关注了这一现象，但关于这一过程的具体分子机制仍然不清楚，而且由于缺乏包含人类胰腺癌分子和组织学谱的实验模型，导管到鳞状谱系转换的生物学相关性和决定因素也尚未确定。 近日，来自日本庆应义塾大学医学院的Toshiro Sato团队在Nature Cell Biology上在线发表题为Wnt-deficient and hypoxic environment orchestrates squamous reprogramming of human pancreatic ductal adenocarcinoma的文章，深入探讨了人类胰腺导管腺癌在Wnt信号缺乏和缺氧环境下，通过分子多样性和表观遗传变化实现从导管细胞到鳞状细胞的转分化的分子机制，证实H3K27me3介导的表观遗传修饰和TP63基因的激活在这一过程中起到了关键作用，并发现EZH2抑制剂可能对治疗特定类型的胰腺癌具有潜力，不仅展示了不利的肿瘤微环境影响人类胰腺癌在分子层面和组织学层面上的演变的过程，而且为理解人类癌症中细胞谱系转换的原则和重要性提供了洞见，对于理解癌症的复杂性和开发新的治疗方法具有重要意义。 为了全面捕捉人类胰腺癌的分子多样性，本文研究人员构建了65个来自患者的胰腺癌类器官系，使用基于生长因子的选择方法来富集癌症类器官，并分析了这些类器官对Wnt-3A和R-spondin（WR，这是两种在细胞信号传导中起重要作用的分泌型蛋白质，在调节肿瘤微环境中的信号传导中扮演着重要角色，在类器官培养中，Wnt-3A和R-spondin也常被用作培养基质成分，以维持类器官的干细胞特性和促进其增殖）的依赖性，将这些类器官分为三类：需要WR的Wnt非分泌（Wnt−）亚型、利用自分泌Wnt但需要R-Spondin的Wnt分泌（Wnt+）亚型、以及在缺乏WR的情况下能够增殖的WR非依赖（WRi）亚型。与已有研究结果一致，包括WRi亚型在内的胰腺癌类器官大多没有Wnt途径突变，提示非遗传因素在WR非依赖性中起作用。同时，根据形态特征可以将这些类器官分为3类：具有极化单层形态的囊性类器官，具有多个腔室和偶尔伪分层的筛状类器官，以及显示出密集堆积的层状外观且没有腔室结构的实体类器官。类器官的形态反映了细胞固有的组织学属性，与它们的分子特征和疾病进展阶段有关。特别是实体类器官表现出对WR的非依赖性，这可能反映了疾病晚期的生物学特性。 随后，研究人员利用RNA测序技术对不同类型和状态的胰腺癌类器官进行了全面的基因表达分析，结果显示胰腺癌类器官的整体转录组模式会随着它们对Wnt信号的依赖性不同而发生变化，不依赖Wnt信号的类器官（如WRi亚型）倾向于表达与基底样和鳞状细胞特征相关的基因，如TP63、KRT5和KRT6A。这些TP63高表达的实体类器官的异种移植瘤都显示出与胰腺腺鳞癌（PASC）类似的组织学特征，包括腺体结构的丧失、多边形细胞的片层组织和鳞状细胞标记的表达，被称为PASC类器官。PASC类器官表现出不可逆的实体结构，且大多数不依赖于WR，而且它们还表现出与内胚层和胰腺发育相关的转录因子的低表达，包括GATA6、LGR5（R-spondin受体和典型Wnt信号的靶标），而这可能与它们对Wnt信号的不活跃反应有关。进一步研究结果显示，ΔNp63（在PASC中表达的TP63亚型，被报道可在癌细胞中促进导管到鳞状的改变）的过表达足以在非PASC肿瘤类器官中诱导出PASC的分子和表型特征。相反，TP63的敲除则导致PASC类器官失去了鳞状细胞属性，恢复了腺体结构，并且对WR的依赖性增加。由此表明TP63是调控人类PASC中鳞状细胞表型的关键分子，并且是PASC发展过程中的一个重要调节因子。 PASC类器官的极端基因表达模式提示在导管到鳞状进展过程中存在广泛的表观基因组重塑，因此通过转座酶可接近的染色质测序（ATAC-seq）和染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq），研究人员证实PASC类器官具有独特的染色质可接近性模式，而且H3K27me3修饰在PASC类器官中富集于那些在PASC中表达下调的基因，包括GATA6和LGR5等。由此表明在PASC的发展过程中，表观遗传修饰，特别是H3K27me3的沉积，可能在抑制原始导管细胞身份基因的表达中起到了关键作用，从而促进了向鳞状细胞表型的转换。 进一步地，研究人员探讨了H3K27me3沉积在PASC中的分子基础。实验结果显示，在含有WR的培养条件下，敲除GATA6或KDM6A（一种在鳞状亚型中反复突变或缺失的赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶，可使H3K27去甲基化）的类器官没有表现出明显的形态变化。然而，在缺乏WR的条件下，敲除KDM6A和GATA6的双敲除类器官出现了实体化转变，并且变得不再依赖WR信号，而且表现出了与PASC相似的基因表达模式以及染色质可接近性模式，这些变化也与H3K27me3修饰的重新分布有关。由此表明KDM6A的单独缺失不足以诱导PASC转化，需要GATA6的共同失活和环境WR的耗尽一起发挥作用，促进胰腺癌细胞向鳞状细胞命运的表观遗传重编程，以实现在Wnt缺陷生态位中的选择性生长。与此同时，氧气对于KDM6A的去甲基化活性也至关重要，而且临床胰腺癌肿瘤已知是低血管化的。研究结果显示，缺氧和Wnt信号缺陷的微环境也可以驱动胰腺癌细胞向鳞状细胞表型的转化，并指导其表观遗传重编程，从而决定PASC的命运。临床数据同样支持了胰腺癌组织的鳞状属性与典型Wnt和氧气利用率低的肿瘤环境之间的关系。单细胞测序结果显示在Wnt缺乏的低氧条件下，从经典导管型到PASC的转换是时间依赖性的，它要通过一个中间状态，而与炎症和应激反应相关的基因在转换过程中被激活，证明从导管谱系到PASC命运的转换特征是导管身份的快速丧失、中间程序的短暂激活和鳞状细胞特征的逐步获得。 最后，研究人员评估了平衡PASC的表观遗传偏倚是否可以对这种致命疾病产生治疗效果。鉴于PRC2和KDM6A在H3K27me3上的相反功能，研究人员检测了EZH2（PRC2的核心组分）抑制对胰腺癌类器官的影响。结果显示，EZH2抑制剂对胰腺癌类器官的生长有明显的抑制作用，尤其是对于那些表现出WR非依赖（WRi）和PASC特征的类器官。此外，对于部分对EZH2抑制剂反应较弱的类器官，通过同时阻断Wnt信号可以增强EZH2抑制剂的效果，提示表观基因组靶向治疗PASC的治疗潜力。 图1 模式图（Credit: Nature Cell Biology） 综上所述，本研究展示了PASC类器官的衍生，随后采用了多层次的方法，整合了基因工程、全面的分子分析和药物测试，揭示了人类胰腺癌中鳞状重编程的分子和环境基础，阐明PASC组织发生的特点在于环境依赖性的表观遗传景观的改变，导致癌细胞导管身份的丧失，而向鳞状细胞谱系的转化，并获得了Wnt信号的非依赖性，而这可能是EZH2抑制的治疗靶点（图1）。由此不仅提供了对人类胰腺癌生物学的基本见解，而且还补充了临床相关PASC模型的缺乏。 参考文献 1. Fujii, M., Sekine, S. & Sato, T. Decoding the basis of histological variation in human cancer. Nat. Rev. Cancer 24, 141–158 (2024). 2. Collisson, E. A. et al. Subtypes of pancreatic ductal adenocarcinoma and their differing responses to therapy. Nat. Med. 17, 500–503 (2011). 3. Hayashi, A. et al. A unifying paradigm for transcriptional heterogeneity and squamous features in pancreatic ductal adenocarcinoma. Nat. Cancer 1, 59–74 (2020). https://doi.org/10.1038/s41556-024-01498-5 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

引言 TET2是一个重要的DNA去甲基化酶，在细胞分裂和谱系分化过程中拥有稳定且保守的在基因组特定区域局部去DNA甲基化能力。在血液系统中，作为最常见的突变基因，TET2的功能尤其重要。如果TET2基因发生突变，通常会导致其酶活性的丧失，从而破坏正常的DNA去甲基化过程。这种功能丧失可能会引起基因表达的异常，从而促进血液癌症，特别是白血病和骨髓增生异常综合症（MDS）的发生。5-羟甲基胞嘧啶（5hmC），作为TET酶反应的主要产物，以组织依赖性方式富集于特定的基因组区域，如增强子(enhancer)。然而，这种特异选择性的机制尚不清楚。 2024年9月9日，来自德州农工大学的黄韵教授课题组，李佳教授课题组和周育斌教授课题组合作在Nature Cell Biology杂志上发表了最新研究 Perturbing TET2 condensation promotes aberrant genome-wide DNA methylation and curtails leukemia cell growth。德州农工大学的郭磊助理教授和洪婷婷博士为论文共同的第一作者。该论文深入探讨了甲基胞嘧啶双加氧酶TET2在精准调控DNA去甲基化和基因转录过程中的关键机制，并根据TET2独特的生化特性提供了潜在的临床治疗策略。 在这项研究中，该课题组揭示了TET2的一种先前未被认识到的液态凝聚 (liquid condensation) 特性，这种物理性质介导其特异性的识别基因组增强子区域，并维持其DNA羟甲基化和去甲基化的稳态。该课题组研究人员通过结构生物学分析，在TET2催化域内鉴定了一个低复杂度插入区（low complexity insert, LCI），这段无序的蛋白序列使驱使TET2形成大生物分子凝聚体。值得注意的是，LCI还可以进一步促进TET2与UTX和MLL4等表观遗传调节因子的共凝聚(co-condensation)，从而确保其在的染色质特定区域的牢固结合。针对LCI的氨基酸序列的一系列突变研究表明，LCI具有朊状结构域（PLDs），芳香残基的存在和排列方式决定了TET2的液态凝聚行为。有趣的是，新一代测序及多组学分析表明，破坏TET2的凝聚形成对其催化功能的影响很小，但极大影响了5hmC在基因组产生位置的准确性，最终导致全基因组范围内不受控制的DNA去甲基化。先前的大多数研究成果表明凝聚的物理化学性质丧失通常等同于蛋白质功能的失效，而该研究的数据揭示了在TET2凝聚体丧失的同时DNA去甲基化效率增强，为凝聚体介导的蛋白功能研究提供了不同的视角和新思路。在人类白血病细胞和基因改造的白血病小鼠模型中，通过分子生物学或化学生物学的方法干扰TET2凝聚体的形成会导致TET2在基因组的结合位置发生改变，引发不受控制的DNA去甲基化和基因表达，从而有效抑制了白血病细胞的增殖和病情的进展。这种杀伤性似乎只存在于快速扩增的癌细胞里，却对正常细胞的生存无显著影响。该研究的结果提示破坏TET2凝聚体的形成可以成为血液癌症治疗的新靶点，为相关临床研究提供了新思路和方法。 模式图：TET2通过LCI结构域形成液态凝聚体，并和增强子相关蛋白（UTX，MLL4）形成共凝聚体，从而确保其精确的基因组定位（如增强子区域）和特定位置的选择性DNA去甲基化。缺失或破坏LCI结构域的完整性导致TET2无法有效形成液态凝聚体，进而失去准确的基因组定位，从而引发全基因组不受控制的去甲基化，引发癌细胞的死亡。（Credit: Nature Cell Biology） 参考文献 https://www.nature.com/articles/s41556-024-01496-7 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

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。 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。 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 内容来源于网络，如有侵权，请联系删除。