KDM5B

2012年，日本学者山中伸弥因发明人工诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cell，iPSC）技术获得诺贝尔生理学奖。这种由成体细胞经基因转录因子转染、小分子化合物诱导等方法获得的多能干细胞类具有类似于囊胚阶段（受精卵发育5-6天）胚胎干细胞的潜能，但又避开了胚胎干细胞的伦理争议，为再生医学、组织工程、新药开发等领域开辟了一条新的道路。不过，在多能干细胞之上，还有一种分化潜能更大的干细胞，即全能干细胞（totipotent stem cell），具有分化形成完整个体的分化潜能。这种全能干细胞的状态只存在于受精卵发育的最初几天。在小鼠身上，只有合子和2细胞（2C）胚胎才是真正意义上的全能干细胞，而在人类和其他哺乳动物身上，这个时限会放宽到4-8细胞（4-8C）胚胎。之后，全能干细胞就开始迅速分化，形成外滋养层（outer trophectoderm, TE）、原始内胚层（primitive endoderm, PrE）之后发育成胎盘和卵黄囊用于母体与子代间物质交换，以及上胚层（epiblast, EPI）之后发育成多个胚胎器官。图1 细胞全能性的消失（图源：Nature）全能干细胞的特性意味着其在器官体外再生、濒危物种保护、辅助生殖技术改进等领域具有诱人前景。然而，虽然多能干细胞以及胎盘、卵黄囊祖细胞的体外培养技术已相对成熟，全能干细胞的体外培养则直到最近几年才有所突破。2018年发表于Cell Stem Cell的一项开创性工作“Capturing Totipotent Stem Cells”指出，在多能干细胞组成的小鼠胚胎干细胞培养物中，也存在着少数细胞（约0.5%）具有类似于小鼠2C阶段的全能性。这一发现表明，在体外培养繁殖全能干细胞是可能的。随后的一些工作试图找出能将细胞维持在全能状态的培养条件，但这些培养系统均未能实现持久的全能性维持。图2 全能肝细胞开创性工作(图源：[1])2022年3月，由中国科学院和深圳华大生命科学研究院牵头的体细胞诱导培养人类全能干细胞研究在Nature上发文“Rolling back human pluripotent stem cells to an eight-cell embryo-like stage”。在这项研究中，科研团队开发了一种非转基因、快速且可控的方法，从人类多能干细胞中诱导产生8C样细胞（8C-like cells，8CLC），不论在染色质可及性还是在基因表达水平上都与8C胚胎相似，成为了迄今为止在体外培养的“最年轻”的人类细胞。图3 研究成果（图源：[2]）研究人员还是用单细胞分析和功能丧失实验确定了多能干细胞转化为8CLC过程中的关键分子事件和基因网络，并确定了DPPA3和 TPRX1在其中的关键作用。DPPA3（Developmental pluripotency-associated 3）是卵母细胞DNA甲基化的主要调节因子，在整个8CLC转化过程中诱导DNA的去甲基化；TPRX1（Tetrapeptide Repeat Homeobox 1）是一种转录因子，属于ETCHbox（Eutherian Totipotent Cell Homeobox）家族，在8CLC转化过程中调控与该过程相关的基因网络的功能和表达。图4 8CL基因调控网络（图源：[2]）进一步的实验证实，8CLC能够在体外或体内形成类似于胚胎和胎盘的结构，相比于过去的多能干细胞无法分化为胚胎外组织，8CLC具有更全面的发育潜能。在体外培养小鼠全能干细胞方面，清华大学丁胜团队和中山大学王继厂团队则分别在Nature和Cell Stem Cell上发文“Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail”、“Chemical-induced chromatin remodeling reprograms mouse ESCs to totipotent-like stem cells”，介绍了使用化学方法重塑小鼠胚胎干细胞细胞基因表达、染色质状态来诱导和维持体外2C样状态的两种方法。图5 丁胜团队研究（图源：[3]）丁胜团队从3000多种化合物中筛选出了能够将表达2C阶段特异性基因的细胞数量增加三倍的23种化合物，其中包括一些RAR激动剂。然而，单独激活RAR不足以建立和维持细胞的全能性，因此，丁胜团队又额外测试了一些能够增强干细胞重编程、存活和自我更新的小分子。最终团队通过RNA测序，确定了一组不仅能够在体外实现表达2C阶段特异性基因的细胞的诱导和长期维持，还能使细胞进入最接近2C状态的化合物组合——TTNPB、1-azakenpaullone、WS6（统称为TAW）。在TAW处理下，被诱导出的ciTotiSC细胞（chemically induced totipotent stem cells）几乎所有经典的全能性特异性基因被激活或高度表达，而大多数多能性特异性基因被沉默，相比小鼠胚胎干细胞和先前研究中所培养出来的D-EPSC、L-EPSC、2C样细胞（2CLC）或全能卵裂球样细胞，许多其他必需的全能转录因子也在ciTotiSC中特异性激活或高度表达。在染色质可及性和关键代谢特征方面，ciTotiSC也与小鼠2细胞胚胎高度相似。在分化潜能上，ciTotiSC可以在体外形成滋养层干细胞，当将4-8个ciTotiSC 接种到宿主8C胚胎中时，ciTotiSC不仅参与了胎盘和卵黄囊的形成，也参与了胚胎本身所有细胞谱系的形成，甚至该嵌合胚胎能够发育成健康的活产幼崽。图6 王继厂团队研究（图源：[4]）王继厂团队首先考察了2CLC与2C胚胎之间的差异，并提出了DOT1L抑制可通过重塑PCH来实现多能性向全能性转变的假设。PCH即着丝粒周围异染色质（pericentromeric heterochromatin），主要由一系列名为主要卫星（major satellite，majSat）的重复DNA序列构成。实验证明，DOT1L抑制诱导出的替代2C类状态（alternative 2C-like state）不同于2CLC，但单独抑制DOT1L不足以维持该状态，还需要配合KDM5B抑制，来重建卵母细胞/2C特异性的非典型广泛H3K4me3结构域。研究团队称这种方式建立的细胞为全能样干细胞（totipotent-like stem cells，TLSC）。王继厂团队随后比较了TLSC和全能卵裂球样细胞以及L-EPSC、D-EPSC之间的差异。转录组的分析表明，TLSC和全能卵裂球样细胞与小鼠2C/4C胚胎相似，而EPSC与囊胚相似，但TLSC和全能卵裂球样细胞之间仍然在多个2C特异性基因的表达上存在可区分的差异。此外，在表观遗传特征、等位基因特异性转录上，TLSC也与2C胚胎接近。将TLSC接种到宿主8C胚胎中后，TLSC同样对外滋养层和内细胞团有所贡献，甚至比宿主细胞更具生长优势。另外，像2C胚胎自组织形成囊胚一样，TLSC也可以自组织形成囊胚样结构，即类囊胚（blastoid）。这些类囊胚转移到假孕小鼠子宫后，超过35%发生了着床并诱导子宫内膜蜕膜化，但不会进一步发育。图7 王继厂团队体外培养TLSC图形概要（图源：[4]）在本文回顾的三项研究中，所培养出的细胞体系均含有多种细胞类型，因此，需要进一步明确定义其主要亚群的关键生物学特征。此外，这些细胞体系均未通过最严格的全能性测试，即能够独立于其他细胞类型产生新生物个体的能力。母体效应的缺失也有可能在一定程度上损害全能干细胞的发育。不过，还需要注意的是，当这些不足之处得到补足，培养出的全能干细胞获得了正常发育至足月的能力，新的伦理争议恐怕又将摆上台面。责编|风立宵校对|风立宵End参考资料：[1]Baker CL, Pera MF. Capturing Totipotent Stem Cells. Cell Stem Cell. 2018 Jan 4;22(1):25-34. doi: 10.1016/j.stem.2017.12.011.[2]Mazid, M.A., Ward, C., Luo, Z. et al. Rolling back human pluripotent stem cells to an eight-cell embryo-like stage. Nature 605, 315–324 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04625-0[3]Hu, Y., Yang, Y., Tan, P. et al. Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04967-9[4]Yang M, Yu H, Yu X,et al. Chemical-induced chromatin remodeling reprograms mouse ESCs to totipotent-like stem cells. Cell Stem Cell. 2022 Mar 3;29(3):400-418.e13. doi: 10.1016/j.stem.2022.01.010.[5]https://www.nature.com/articles/d41586-022-01932-4 本文系生物探索原创，欢迎个人转发分享。其他任何媒体、网站如需转载，须在正文前注明来源生物探索。   往期精选 围观 ‍把病毒困在“陷阱”里！海德堡大学探明病毒渗透最后一步，或将带来预防新手段！ 热文基因振荡器：在两种衰老模式间来回切换，细胞寿命延长了82%！ 热文用超声波突破皮肤屏障！MIT科学家为皮肤给药提供可穿戴解决方案 热文新发现：加速癌症发展的染色体外DNA，甚至出现在癌症之前，推动组织癌变！ 热文 在基因组中“跳来跳去”的转座子，有望成为免疫疗法抗击肿瘤的新靶点！点击“阅读原文”，了解更多~

耐药是导致癌症复发和患者预后不良的主要原因之一。表观遗传调控是一种独立于核苷酸序列变化的基因表达的可遗传改变。DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA（ncRNAs）调控是常见的表观遗传调控机制。诸多证据表明，表观遗传调控异常会导致肿瘤耐药。因此，靶向表观遗传调控因子是逆转肿瘤耐药的有效策略。今天小编想和大家分享的便是表观遗传调控在肿瘤耐药中发挥作用的途径与方法。其次，小编还会和大家一起探讨表观遗传修饰的必要因子，组蛋白去甲基化酶家族的功能以及与癌症耐药相关的调控机制，并对表观遗传相关治疗策略进行简单总结。一常见耐药机制肿瘤耐药是目前癌症治疗面临的关键问题之一，目前已有多种耐药机制被发现，包括ABC转运蛋白过表达、肿瘤干细胞（cancer stem cells，CSCs）富集、上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal  transition，EMT)、自噬、凋亡、基因突变和表观遗传调控等（图1）。今天小编想和大家主要分享的便是表观遗传调控的耐药机制。图1. 常见耐药机制二表观遗传调控的肿瘤耐药机制表观遗传修饰是指基因表达在不改变DNA序列的情况下发生的可遗传变化，ncRNAs、DNA甲基化和组蛋白修饰(包括组蛋白乙酰化和甲基化)在肿瘤耐药中的表观遗传调控中发挥重要作用（图2）。DNA甲基化由DNA甲基转移酶和DNA去甲基酶维持，组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰酶调节，组蛋白甲基化由组蛋白去甲基酶和组蛋白甲基转移酶维持。图2. 表观遗传调控的肿瘤耐药机制DNA和组蛋白修饰不仅影响转录因子的功能，还与染色质重塑和非编码RNA等其他表观遗传修饰密切相关，共同调节肿瘤过程。通常，DNA甲基化影响基因表达、转录和活性。在DNA甲基转移酶的作用下，基因启动子高甲基化，进而导致转录抑制以及基因表达的降低。此外，组蛋白修饰（乙酰化、磷酸化、甲基化、ADP核糖化）是一种重要的表观遗传模式。目前大多数研究集中在乙酰化、甲基化和磷酸化上。大量研究表明，组蛋白尾部的翻译后修饰对癌症的发生和发展至关重要，包括组蛋白去甲基酶、组蛋白甲基转移酶、组蛋白去乙酰酶、组蛋白乙酰转移酶(HATs)和ADP核糖基转移酶。在多种癌症中，组蛋白乙酰化与基因转录密切相关，组蛋白乙酰化的改变与癌症表型密切相关，其调节异常通常导致癌基因的激活或抑癌基因的失活，以及许多信号通路的功能障碍，进而导致肿瘤耐药。因此，靶向表观遗传修饰是克服肿瘤耐药的潜在策略之一。三不同表观遗传修饰在肿瘤耐药中的作用图3. 不同表观遗传修饰在肿瘤耐药中的作用1.DNA甲基化与耐药：在DNA甲基化转移酶的作用下，基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。研究表明，DNA甲基化导致的抑癌基因抑制，是多种癌症的基本发病机制，比如肿瘤抑制基因RB1和DNA修复基因BRCA1等。DNA甲基转移酶家族有五个成员，分别是DNMT1、DNMT2、DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L。DNA甲基化由DNA甲基转移酶和DNA去甲基化酶协同调控Notch和Wnt/β-catenin信号通路影响细胞凋亡、干性、EMT和细胞增殖，进而导致耐药（图3）。除DNA甲基转移酶，DNA去甲基化酶也在耐药性中发挥重要作用(图3)。DNA去甲基酶家族TETs与DNMTs协同工作以维持DNA甲基化的平衡。DNA甲基化除通过影响基因表达调控肿瘤发展外，还可以与组蛋白修饰、核小体定位等表观遗传修饰相互作用，协同调控染色质形成。到目前为止，已经开发许多靶向DNA甲基化的小分子抑制剂。其中，azacytidine等多款DNMT抑制剂已经进入临床试验。2.ncRNAs与耐药：ncRNAs是基因表达的关键调控因子之一，主要由4个小核苷酸（miRNAs，piRNAs，tsRNAs，snoRNAs）和2个大核苷酸（circRNAs，lncRNAs）组成，在癌症进展或肿瘤耐药中发挥双重作用。miRNAs可以与靶mRNAs的3’端互补序列结合，导致mRNAs靶点的翻译抑制或降解，具有促进或抑制肿瘤进展的双重作用；lncRNAs是一种具有共价封闭环状结构的单链RNA，同样具有作为致癌因子或肿瘤抑制因子双重作用；circRNAs能够直接与蛋白质结合并与miRNAs相互作用以调节癌症发生发展。此外，lncRNAs能够与蛋白质或DNA结合进而发挥促癌或抑癌作用。例如，MEG3可以上调p53，并促进p53与GDF15启动子的结合，从而抑制肿瘤的生长；相反，癌基因lncRNA HOX转录反义RNA过表达可增加多种肿瘤的转移和侵袭能力。3.组蛋白修饰与耐药：组蛋白修饰主要包括组蛋白甲基化和乙酰化。组蛋白甲基化和乙酰化分别通过组蛋白去甲基酶和甲基转移酶、组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰酶来保持基因表达的平衡，在抗癌方面起着双刃剑的作用。乙酰化一般发生在组蛋白尾部的赖氨酸残基上，主要由两种功能相反的酶: 组蛋白乙酰化酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶(HDACs)调节，从而影响细胞内pH值和影响基因转录活性和染色质结构来动态调节癌症进展。除已经被FDA批准用于临床治疗的四种HDAC抑制剂外，HDAC抑制剂与mTOR抑制剂、免疫检查点抑制剂的联合治疗也已成为临床和临床前研究的重要组成部分。组蛋白甲基转移酶(HMTs)又被称为蛋白甲基转移酶(PMTs)，可分为组蛋白赖氨酸甲基转移酶(HKMTs或PKMTs)和组蛋白精氨酸甲基转移酶(HRMTs或PRMTs)。组蛋白甲基转移酶与耐药密切相关(图3)。比如，EZH2的高表达可激活细胞生存通路，导致卵巢癌对顺铂的耐药。截至目前，针对组蛋白甲基转移酶的抑制剂主要以EZH2为靶点，I/II期临床试验也在多种癌症中有序进行。组蛋白去甲基化酶(HDMTs)是一个可逆的动态调控过程，组蛋白甲基化异常可直接或间接影响生理病理过程。组蛋白去甲基酶可以通过调节基因转录、促进自噬、减少细胞凋亡、影响细胞代谢过程、促进上皮-间质转化等过程导致耐药。相反，通过抑制剂或siRNA靶向组蛋白去甲基酶可以逆转耐药性(图4)。因此，小编接下来想和大家分享的便是组蛋白去甲基酶抑制剂在临床试验中的分类及作用，并对组蛋白去甲基酶在肿瘤耐药中的作用和靶向组蛋白去甲基酶逆转耐药的有效策略进行详细介绍。图4. 组蛋白去甲基酶调节肿瘤耐药四组蛋白去甲基酶的分类与功能组蛋白去甲基酶包括组蛋白赖氨酸去甲基酶和组蛋白精氨酸去甲基酶，已有大量关于组蛋白赖氨酸去甲基酶的报道，而对组蛋白精氨酸去甲基酶的报道相对较少。组蛋白去甲基酶主要有三个家族:赖氨酸特异去甲基酶(LSD)家族、Jumonji C(JmjC)-domain-containing去甲基酶(JMJD)家族和组蛋白精氨酸去甲基酶，其去甲基位点如图5所示。不同的去甲基酶可以使组蛋白的不同甲基化位点脱甲基。图5. 组蛋白去甲基酶的分类及其去甲基位点1. LSD家族结构域与催化机理LSD家族由LSD1和LSD2组成。LSD1又名KDM1A、BHC110和AOF2，由三个主要结构域组成:(1)位于n端，负责与其他蛋白质相互作用的SWIRM结构域，(2)由两个反向平行的α螺旋组成，保证LSD1去甲基化正常功能的Tower结构域，(3)位于LSD1 C端的AOL域，AOL域被Tower结构域分为两个区域，一个用于底物结合和识别，另一个被定义为非共价黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的结合位点(图6A)。LSD1与不同的辅因子或底物结合可以产生不同的功能，与CoREST、 CtBP、NuRD相互作用，可以使H3K4me1/me2脱甲基，从而增强DNMTs的表达和DNA的再甲基化进而抑制基因转录；然而，在雌激素或雄激素存在时，LSD1可使H3K9脱甲基并激活基因表达。LSD2，也被称为KDM1B和AOF1，是另一种FAD依赖的氨氧化酶(图6A)。与LSD1不同， LSD2含有N端锌指结构域，对维持去甲基化活性异常重要。LSD2是一种H3K4me1/me2去甲基化酶，可以通过H3K4me1/2去甲基化抑制p53或TFPI-2等基因表达，进而影响癌症进展。每两个组蛋白H2A、H2B、H3、H4分子组成一个核心蛋白八聚体，约146 bp的DNA结合在八聚体周围形成核小体，去甲基酶通过去除组蛋白上的甲基发挥作用(图6B)。图6. LSD家族的结构域及催化机理2. 含有JmjC结构域的蛋白质家族JMJD由6个家族的21个含有 JmjC 结构域的蛋白组成，对组蛋白赖氨酸和精氨酸进行脱甲基，包括FBXL (KDM2)、JMJD1 (KDM3)家族、JMJD2 (KDM4)家族、JARID1 (KDM5)家族、KDM7家族。FBXL (KDM2)家族由KDM2A和KDM2B组成，KDM2A高表达受多种因素影响，包括microRNA、炎症和缺氧。KDM2B具有特定的H3K4me3去甲基酶活性，能够抑制核糖体RNA并负向调节细胞增殖(图5)。JMJD1 (KDM3)家族：JMJD1家族中有三个蛋白，分别是KDM3A、KDM3B和KDM3C，它们都能导致H3K9me1/me2去甲基化(图5)。KDM3A能以去甲基化依赖的方式上调DCLK1和CDK6，维持胰腺癌的发生和发展。JMJD2 (KDM4)家族：JMJD2家族由六种蛋白(KDM4A-F)组成，都具有导致H3K9me2/me3和H3K36me2/me3去甲基化的能力，有助于乳腺癌等癌症的形成(图5)。研究表明，KDM4蛋白的过表达可以改变转录和染色质重塑，从而诱导细胞增殖，而敲除KDM4后去甲基酶可以通过增加起始位点H3K9me3的积累来下调Taf1b和Nom1基因的表达，从而下调造血干细胞的维持。JARID1 (KDM5)家族：由KDM5A、KDM5B、KDM5C和KDM5D这4个去甲基化蛋白组成。KDM5A的结构包含3个PHD结构域，其中 PHD1结构域可以优先识别未甲基化的H3K4组蛋白尾部并刺激其活性(图5)。值得注意的是，KDM5B在乳腺癌和前列腺癌中表达上调，敲除KDM5B可激活AMPK信号通路，逆转上皮-间充质转化(EMT)，诱导脂质重编程，抑制细胞增殖和迁移，而其过表达可增强PI3K/AKT信号通路。UTX/JMJD3 (KDM6)家族：KDM6A和KDM6B可以使H3K27me2/ me3221脱甲基，而KDM6C没有酶活性。此外，KDM6B在维持干细胞功能方面发挥重要作用，可通过调节Pax6等影响胚胎干细胞(ESC)的分化。膀胱癌中KDM6C还可以影响p53和FGFR3的表达。KDM7家族：KDM7A和KDM7B可以参与H3K27me1/2、H3K9me1/2和H4K20me1的去甲基化，促进癌症进展(图5)，而PHF2则被认为可以抑制肿瘤生长。3. 组蛋白精氨酸去甲基化组蛋白精氨酸甲基化是一个可逆过程，但截至目前只有少数组蛋白精氨酸去甲基化酶被报道，包括PAD4、JMJD1B、JMJD6等。五组蛋白去甲基酶抑制剂组蛋白去甲基化酶在肿瘤发生发挥关键作用，多款组蛋白去甲基化酶抑制剂的开发已成为癌症治疗的研究热点，已有多款抑制剂被批准用于临床试验，以进一步评估其在患者中的疗效和安全性(图7)。其中，LSD1无疑是明星中的明星，已经在肺癌、白血病等多种癌症或疾病中开启了广泛的临床试验。与LSD1抑制剂相比，靶向其他去甲基酶的抑制剂较少进入临床试验。图7. 代表性组蛋白去甲基酶抑制剂及其临床试验六组蛋白去甲基化酶与癌症耐药表观遗传变化，特别是组蛋白甲基化和去甲基化，在耐药中发挥重要作用。组蛋白去甲基酶与耐药密切相关，靶向不同肿瘤的去甲基酶是克服耐药的潜在策略之一(图3)。小编进一步想和大家分享的便是不同组蛋白去甲基酶对耐药的作用和影响。1.LSD家族与耐药：LSD1是一种重要的组蛋白去甲基化酶，可以通过改变H3K4和H3K9的甲基化水平来调节各种癌细胞的耐药。LSD1可通过激活NF-kB和Wnt/β-catenin信号通路维持干细胞功能，促进EMT或者与长链非编码RNA相互作用招募LSD1，通过去甲基化修饰导致化疗或索拉非尼等药物耐药(图8)。与LSD1相似，LSD2同样可以增强干细胞特性，诱导细胞凋亡，调节其他酶的表达进而导致耐药。图8. 赖氨酸特异性去甲基化酶(LSD)家族与耐药2.含JmjC结构域蛋白家族与耐药：KDM2家族由KDM2A和KDM2B组成。KDM2A可以通过上调干细胞干性标志物Sox2和Oct4的表达来促进细胞干性。在肝癌中抑制KDM2A可减少其下游SOX2、NANOG和OCT4表达，从而减少肿瘤干细胞的形成，降低对索拉非尼的耐药。KDM2B可以通过增加干细胞和凋亡同时增强耐药性，在胶质母细胞瘤中靶向KDM2B会损害干细胞的分化能力或者高表达坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)，并降低肿瘤生长和血管生成。此外，KDM3A能够降低p53的表达，KDM3C可以通过ERK/MAPK信号通路抑制EMT。截止目前，有关KDM3B和KDM3C的研究相对较少，但这些KDM同源物在促进肿瘤生长和耐药方面中的作用不可小觑。KDM3A和KDM3B对 H3K9去甲基的功能是维持胚胎干细胞功能所必需的。KDM3B能使H4R3me2或者H3K9me2脱甲基，从而影响造血干细胞的发育和功能。已有报道表明，JMJD1C在紫杉醇耐药食管鳞状细胞癌中表达显著增加。敲除JMJD1C降低细胞转移能力，增加细胞凋亡能力，从而降低对紫杉醇、吉西他滨和卡铂等药物的耐药性。JMJD1C可能通过调节miR-200家族和miR-290/295家族来抑制ERK/MAPK信号转导和EMT过程的激活，正是ESC自我更新所需要的(图9)。图9. KDM2、KDM3家族对耐药的影响3.KDM4家族与耐药：除JMJD2E和JMJD2F外，KDM4家族的另外4个成员在多种癌症中过表达，并与耐药进展密切相关。KDM4A可以控制乳腺癌干细胞(BCSCs)的增殖和自我更新，进而导致治疗耐药。此外，胃癌细胞对抗癌药物的敏感性可以通过JMJD2A与其底物CCDC8的相互作用调控。在去势耐药前列腺癌(CRPC)中，KDM4A-AS1的表达增加，调节USP14-AR的稳定性，防止AR降解，导致细胞对enzalutamide耐药。小分子抑制剂NSC636819和JIB-04通过影响CCDC8表达和凋亡抑制KDM4A活性，增加细胞敏感性(图10)。此外，在缺氧条件下，KDM4B分别通过激活Wnt/β-catenin通路或与C-Myc相互作用，增加C-Myc转录，诱导自噬和增加细胞代谢水平，可能是治疗CRPC的潜在策略(图10)。KDM4C的高表达与耐药密切相关。KDM4C能够通过影响细胞周期和CDC6的转录促进癌症的进展，KDM4D可以通过Wnt/β-catenin和Notch信号通路增加CSC的性质(图10)。图10. KDM4家族与耐药4.KDM5家族与耐药：KDM5家族与耐药性密切相关。KDM5A在各种癌症中高度表达，可通过激活IGF1R和ErbB信号通路，进而促进PI3K/AKT/mTOR通路，并联合抑制KDM5D诱导EMT，从而导致紫杉醇等药物耐药 (图11)。KDM5B可通过激活c-Met信号通路促进干细胞表型、被microRNA-29c-3p(一种肿瘤抑制因子)调控等方式导致多种药物耐药。KDM5B可诱导CD34转化为CD34+，降低小鼠黑素瘤细胞对BRAF抑制剂的敏感性。此外，KDM5B与Ki67（细胞增殖基因）共表达，与犬组织细胞增殖能力呈正相关(图11)。KDM5C高表达既可以通过抑制PTEN促进CRPC或鼻咽癌增殖，又可以通过抑制p53及其下游p21和p27的表达促进细胞增殖和迁移(图11)。有趣的是，KDM5C过表达可以通过对ABCC1的去甲基化降低ABCC1表达，从而抑制结直肠癌细胞对奥沙利铂和伊立替康等药物的耐药性(图11)。此外，KDM5C的下调可促进肿瘤生长和ccRCC对铁铁死亡的抵抗。与KDM5家族的其他成员相反，KDM5D表达的降低有利于癌细胞的耐药，比如低表达KDM5D可以通过诱导EMT和对CUL4A启动子上的H3K4去甲基化来促进胃癌细胞的转移，或者导致对多西他赛等药物耐药(图11)。总之，KDM5家族在耐药中发挥至关重要的作用，靶向KDM5家族是提高疗效的重要途径。5.KDM6家族与耐药：KDM6A和KDM6B分别通过促进细胞干性和调节细胞周期来增强耐药性。KDM6A表达下调可能会降低ENT1水平，导致阿糖胞苷敏感性降低。此外，H3K27me3低水平与结直肠癌细胞干性和奥沙利铂耐药密切相关。PCGF1可增加KDM6A的表达，进一步降低H3K27me3水平，激活干细胞标记物的转录，促进干细胞增殖。KDM6B在多种癌症中高表达，有利于肿瘤的发展和耐药。KDM6B可促进C-Myc及其靶基因CyclinD1的表达，从而促进前列腺癌细胞增殖和肿瘤生长。有趣的是，KDM6B在成神经细胞瘤中过表达，并可激活CDK4/6-pRB-E2F通路，该通路通过H3K27去甲基化与帕博西布耐药密切相关(图11)。这些数据表明抑制KDM6B可能成为克服耐药的有效治疗策略。6.KDM7家族与耐药：截至目前，KDM7家族在耐药中的研究相对较少。KDM7A可通过H3K27me2去甲基化上调AR转录活性，其抑制剂TC-E 5002可显著降低顺铂耐药膀胱癌细胞系的细胞活力。PHF8，也被称为KDM7B，可以通过去甲基化修饰或者与HER2相互作用，增强FOXA2或IL6的表达，促进曲妥珠单抗等抗HER2药物的耐药(图11)。图11. KDM5-7家族与耐药7.组蛋白精氨酸去甲基酶与耐药组蛋白精氨酸去甲基酶PAD4能将精氨酸转化为瓜氨酸，其不仅能通过调节EMT和凋亡抑制耐药的产生，还能在肝细胞癌中促进自噬，导致化疗耐药 (图12)。以上研究表明，虽然PAD4对不同癌症的耐药有不同影响，靶向PAD4仍然是降低耐药的潜在策略之一。图12. 组蛋白精氨酸去甲基酶PAD4的肿瘤耐药双刃剑七通过靶向组蛋白去甲基酶克服肿瘤耐药通过组蛋白去甲基酶抑制剂或其他靶向组蛋白去甲基化的分子可以有效控制耐药，现有多项研究通过组蛋白去甲基化酶抑制剂和siRNA，靶向LSD1或者KDM家族克服耐药性（表格）。当单独使用或与其他药物联合使用时，组蛋白去甲基酶抑制剂通常可以增加化疗的疗效。考虑到一些表观遗传调控因子之间通过相互作用共同调控肿瘤的发展，两种或两种以上不同靶点抑制剂的联合使用可能在逆转耐药上发挥更强功效。因此，开发多靶点抑制剂、蛋白水解靶向嵌合(PROTAC)分子、变构抑制剂以及那些调节非酶功能的抑制剂也可能为逆转肿瘤耐药提供新的策略。表格1 通过组蛋白去甲基化酶抑制剂和siRNA克服肿瘤耐药今天的分享就是这些啦，最后让我们简单的回顾下表观遗传调控与肿瘤耐药的关系吧。ncRNAs、DNA甲基化和组蛋白修饰(包括组蛋白乙酰化和甲基化)等表观遗传修饰与肿瘤耐药密切相关。其中，组蛋白去甲基化酶家族与肿瘤进展和癌症耐药相关，为个性化癌症治疗提供分子基础，靶向组蛋白去甲基化酶抑制剂等表观遗传学修饰在克服肿瘤耐药方面具有广阔的前景。最后的最后，小编还要偷偷告诉大家，很多表观调控因子都是通过直接或间接调控肿瘤干性导致细胞耐药的，感兴趣的同学不妨以此为方向，耐心钻研一下哦！参考文献：Wang N, Ma T, Yu B. Targeting epigenetic regulators to overcome drug resistance in cancers. Signal Transduct Target Ther. 2023 Feb 17;8(1):69. doi: 10.1038/s41392-023-01341-7. PMID: 36797239; PMCID: PMC9935618.

假如基因是一条条设定好的马路，那么基因的转录过程就像是车辆在路上行驶，路况瞬息万变。未改变DNA序列的表观遗传修饰则如同道路上附属的信号灯、指示牌、加油站，调控着车辆的运行。如若信号灯出现了故障，交通就容易失控；如若基因的表观遗传修饰失调，基因的转录则会变得紊乱，进而引发癌症等疾病。在诸多表观遗传的修饰方式中，组蛋白的甲基化修饰与基因的转录调控息息相关，其中组蛋白H3赖氨酸K4被广泛研究。三甲基化的组蛋白H3赖氨酸K4（H3K4 me3）对正常细胞发育至关重要，且与白血病、乳腺癌、肠癌和胰腺癌联系紧密。因此，了解它如何在正常细胞中发挥作用也可以为癌症的发展提供新的思路。但直到现在，科学家们仍对它的作用缺乏了解。3月1日发表在《Nature》杂志上的一项重要新研究就揭示了H3K4me3控制细胞内基因转录的“红绿灯”机制 【1】。在这项研究中，伦敦癌症研究所（The Institute of Cancer Research, London）的科学家们利用小鼠干细胞和复杂的遗传和生化实验，发现三甲基化的组蛋白H3赖氨酸K4（H3K4 me3）能够确保基因在正确的时间以可控的方式被转录和激活，就像一组信号灯在繁忙的道路上调节汽车的流量。通过调节 RNA 聚合酶 II（一种读取和解码 DNA 的蛋白质复合物）的流动，H3K4me3 决定基因表达何时开始以及它运行的速度。当信号灯处在“绿灯”状态时，H3K4me3 允许 RNA 聚合酶 II 沿着 DNA 移动并将其转录成 RNA。但若没有 H3K4me3，RNA 聚合酶 II 会卡在 DNA 的启动子近端区域，造成阻碍减慢转录。建立研究H3K4甲基化的模型H3K4的甲基化受SET1/COMPASS复合物的直接调控。SET1/COMPASS由多个赖氨酸甲基转移酶和若干个亚单位构成，因此各个蛋白构建存在功能冗余。而这也使确定 H3K4 甲基化在基因表达中的直接作用变得十分困难。为研究H3K4 甲基化在转录中的作用，研究人员开发了DPY30 或 RBBP5 的急性耗竭（acute depletion）模型系统。之所以选择DPY30 和 RBBP5是因为这两个核心成分是小鼠胚胎干 (mES) 细胞系中所有 SET1/COMPASS 复合物家族不可或缺的共享成分。为了构建急性耗竭模型，研究人员在mES 细胞中表达了DPY30 或RBBP5与degron（一种可促进蛋白降解的蛋白）的融合蛋白。其中DPY30与受生长素调控的mAID degron tag融合，RBBP5则与受dTAG-13调控的FKBP degron tag融合。用该细胞模型进行实验的结果表明，DPY30 或 RBBP5 的急性耗竭会导致 H3K4 甲基化的快速丧失。图注：靶向DPY30 或 RBBP5的 degron系统【1】去甲基化酶KDM5 调控 H3K4me3 的快速转化那么，H3K4me3 的快速丧失是受谁的调控呢？组蛋白转化和主动去甲基化是2个可能的机制。为了研究 H3K4me3 的快速转化是否是由于 KDM5 H3K4me3/me2 去甲基化酶的活性，研究人员敲除了 DPY30–mAID mES 细胞系中的Kdm5a和Kdm5b基因。他们发现与 DPY30-mAID 细胞相比， H3K4me3 在 Kdm5a/b敲除细胞（dKO）中持续存在时间显著延长，表明H3K4me3 的快速转化依赖于 mES 细胞中的 去甲基化酶KDM5A 和 KDM5B。基因转录的调控需要H3K4me3为了研究H3K4me3 快速丧失后对转录的主要影响，研究人员使用 SLAM-seq 在 degron 细胞系中测量了新转录 RNA 的合成速率。用生长素处理 dKO 细胞和DPY30-mAID 细胞后进行的 SLAM-seq 分析发现，DPY30-mAID细胞下调的基因数量远多于dKO细胞，说明H3K4me3 是调节转录的决定性因素。图注：基因转录的调控需要H3K4me3【1】H3K4me3是如何调控转录的呢？研究人员发现H3K4me3 的快速丧失会促进RNA 聚合酶II 在启动子区域的暂停 （RNAPII pausing）。他们进一步利用高分辨率的mNET-seq对dKO细胞和DPY30-mAID进行分析，发现与DPY30-mAID细胞相比，dKO细胞的RNAPII pausing存在显著延迟，表明H3K4me3参与调控RNA 聚合酶II的暂停与释放。图注：H3K4me3 的快速丧失延长 RNAPII pausing的停留时间【1】那么，H3K4me3通过RNA 聚合酶II的调控对基因转录产生了怎样的影响呢？研究人员利用TTchem-seq和mNET-seq技术测量的转录延伸速率，发现H3K4me3快速丧失会降低延伸速率。INTS11参与H3K4me3调控的启动子近端暂停-释放（promotor proximal pausing-release）研究人员接下来探究可能参与受H3K4me3调控的启动子近端暂停释放的蛋白质。他们利用ChIP-MS识别了3个蛋白并对其中的INTS11（一个核酸内切酶亚基）做后续研究。他们发现与H3K4me3相似，INTS11的快速丧失会促进RNA 聚合酶II的暂停。进一步显示H3K4me3 通过招募INTS11 的机制调节启动子近端暂停，这于RNAPII pausing的取消和转录延伸至关重要。图注：H3K4me3调控转录的机制【1】此项研究的负责人，表观遗传学研究专家、伦敦癌症研究所的首席执行官Kristian Helin教授表示：“我们的研究提供了对表观遗传学的新理解，这是一个非常令人兴奋但仍未充分探索的癌症领域研究。揭示了一种著名的表观遗传修饰如何控制基因表达，解决了一个存在 20 年的难题。由于决定细胞中 H3K4me3 水平的酶经常在癌症中发生突变，这项研究可能对理解和治疗癌症具有重要意义。”【2】参考文献：【1】 Wang, H., Fan, Z., Shliaha, P.V. et al. H3K4me3 regulates RNA polymerase II promoter-proximal pause-release. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05780-8【2】New study unveils epigenetic 'traffic lights' controlling stop and go for gene activity (2023, March 1) retrieved 3 March 2023 from https://medicalxpress.com/news/2023-03-unveilsepigenetic-traffic-gene.html撰文 | Qianyue编辑 | cici会议推荐RECOMMENDATIONS点击了解详情点击了解详情精彩推荐：1、改写现状！全球迄今最大规模细胞治疗心衰试验结果公布，心梗、中风发生率降低58%，可长期改善患者预后！2、“无肉不欢”是真的！近1.5万人研究表明：不吃肉，抑郁发作风险增加165%！3、我国已是“帕金森第一大国”！NEJM重磅研究：这种“无创疗法”可使70%帕金森患者显著改善症状！4、比免疫疗法更有效！Nature子刊：新型光激活抗癌疗法，有望成为实体瘤治疗利器！5、癌细胞真的能被饿死吗？《Nature》: 重磅！普林斯顿研究人员发现肿瘤代谢比预想的慢！