KRT6A

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

撰文丨王聪编辑丨王多鱼排版丨水成文KRAS是肺腺癌（肺癌的一类，约占肺癌总数的一半）中最常见的突变基因之一，常在密码子12、13和61处发生突变。KRAS突变已被证明通过介导下游信号通路的激活，包括RAF、MEK和ERK通路，发挥致癌驱动作用。虽然KRAS长期以来一直被认为是一个不可成药靶点，但最近开发的KRASG12C抑制剂已经改变了携带该基因突变的癌症的治疗策略。两种KRASG12C抑制剂——Sotorasib和Adagrasib，已被FDA批准用于携带KRASG12C突变的肺癌治疗，这些抑制剂还在结直肠癌和胰腺癌中也观察到了早期疗效的迹象。此外，针对其他KRAS突变的抑制剂，包括KRASG12D，也正在开发中。虽然这些药物在治疗KRAS突变型肺癌方面有效，但原发性和获得性耐药性普遍存在，因此了解KRAS抑制剂产生耐药的机制至关重要。2024年2月22日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心季红斌团队联合纽约大学医学院Kwok-Kin Wong团队、哈佛医学院丹娜法伯癌症研究所Andrew J. Aguirre团队以及清华大学张奇伟团队，在 Cancer Cell 期刊发表了题为：Adeno-to-squamous transition drives resistance to KRAS inhibition in LKB1-mutant lung cancer 的研究论文。该研究表明，肺腺鳞癌转分化（AST）驱动了KRAS抑制剂耐药性的产生，并进一步确定了KRT6A的表达水平可有效预测肺腺癌患者对KRAS抑制剂治疗的响应，为肺腺癌的KRAS靶向治疗提供了预测性生物标志物。KRASG12C抑制剂（Adagrasib和Sotorasi）在针对KRASG12C突变的肺癌方面显示出临床前景，但大多数患者最终会产生耐药性。目前已有多项研究报道了KRASG12C抑制剂耐药的遗传和非遗传机制。2021年6月，Andrew J. Aguirre团队在《新英格兰医学杂志》（NEJM）发表论文【2】，描述了从腺癌（ADC）到鳞状细胞癌（SCC）的组织学转变可能作为获得性耐药的机制。在这项研究中，在获得性耐药时进行重复肿瘤活检的9名肺腺癌患者中，有2名患者显示出SCC组织学，没有证据表明同时存在可以解释耐药的基因组改变。虽然这些数据表明这种肺腺鳞癌转分化（adeno-to-squamous transition，AST）与KRASG12C抑制剂耐药性之间存在潜在联系，但需要更多的临床前和临床数据来确定AST在介导耐药性中的因果关系。以往的研究已经注意到AST作为一种新兴的靶向治疗耐药机制。例如，在接受第三代EGFR酪氨酸激酶抑制剂Osimertinib治疗后复发的肺腺癌患者中，有8%（5/62）出现了AST。虽然AKT通路激活和MYC和SOX转录因子家族的异常活动已被暗示在酪氨酸激酶抑制剂治疗前后存在差异激活，但KRAS抑制导致AST的机制仍有待阐明。基于两种常见的KRAS突变——G12C和G12D，已经建立了基因工程小鼠模型，用于人类肺腺癌研究。LKB1基因通常在15%-30%的人类肺腺癌中与KRAS同时突变，在小鼠中敲除Lkb1会敲除促进肺癌进展。LKB1是染色质可及性的中心调节器，导致在具有NKX2基序的基因组区域可及性降低，而在具有SOX基序的基因组区域可及性增加。有趣的是，Lkb1缺陷诱导KrasG12D突变的肺腺癌向鳞状细胞癌转分化。这一过程与鳞状上皮标志物的逐渐增加有关，包括ΔNp63、SOX2和KRT5/14，并逐渐降低NKX2-1的表达。在这项最新研究中，研究团队分析了KRYSTAL-1试验（Adagrasib治疗KRASG12C突变的肺癌）中Adagrasib治疗结果的转录水平相关因素，并提出了临床获益的生物标志物，还利用基因工程小鼠模型和类器官模型进行了机制研究，并确定了控制肺腺鳞癌转分化（AST）过程的转录因子轴。具体来说，该研究发现，在具有KRASG12C和LKB1共突变的腺癌肺患者中，治疗前活检中鳞状细胞癌基因特征的富集与Adagrasib响应不佳相关。对Lkb1缺陷的KRASG12C和KrasG12D肺癌小鼠模型和类器官进行KRAS抑制剂治疗的研究表明，肿瘤调用一种谱系可塑性程序——肺腺鳞癌转分化（AST），从而使KRAS抑制产生耐药性。转录组和表观基因组分析表明，ΔNp63驱动AST并调节对KRAS抑制的反应。该研究还发现了一个中间的高可塑性细胞状态，其标志是AST可塑性特征和Krt6a的表达。值得注意的是，基线AST可塑性特征和KRT6A的表达与Adagrasib的响应不佳相关。这些数据揭示了AST在KRAS抑制剂耐药中的作用，并为肺癌的KRAS靶向治疗提供了预测性生物标志物。论文链接：1. https://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(24)00036-92. https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa2105281声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号   粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓

*仅供医学专业人士阅读参考KRAS突变这个曾经“不可成药”的靶点，近年来才终于被新型小分子抑制剂成功突破，但了解靶向治疗的读者们应该也清楚，漫长的战争才刚刚开始，接下来的拉锯战必然要围绕耐药和破解耐药展开，这样才能一步步延长患者的生存。近日，中科院分子细胞科学卓越创新中心季红斌团队与美国哈佛大学丹娜-法伯癌症研究所、纽约大学癌症中心团队合作，在Cancer Cell期刊发表了最新研究成果，首次确证在合并STK11/LKB1共突变的KRAS突变肺腺癌患者中，肺腺癌细胞向鳞癌组织学类型的转化（Adeno-to-squamous transition，AST）可导致靶向治疗耐药、患者预后不佳。论文核心内容总结在2021年发表于《新英格兰医学杂志》的一份分析中，丹娜-法伯癌症研究所团队首次报告了2例接受KRAS G12C抑制剂adagrasib治疗后，再次活检中发生肺腺癌向鳞癌组织学类型转化的患者，且这2例患者都不携带其它可能导致耐药的基因变异，因此推测肺腺癌向鳞癌组织学类型转化，也可能是导致KRAS G12C抑制剂治疗耐药的一种机制[2]。本次研究也正是基于此前的发现，希望从临床前和临床数据两方面，进一步实锤肺腺癌向鳞癌组织学类型转化能导致治疗耐药及相关的作用机制，为此研究者们进一步收集了共116例接受adagrasib治疗肺癌患者的转录组学数据，结合临床资料进行分析，发现基线时肿瘤内肺鳞癌相关基因表达水平较高，与患者治疗持续时间较短相关，而治疗持续时间短即意味着病情进展早、耐药发生快，这种现象在合并STK11/LKB1共突变的患者中尤为明显。合并STK11/LKB1共突变的KRAS G12C突变患者，肺鳞癌相关基因高表达与不良预后相关研究者们推测，合并STK11/LKB1共突变的KRAS G12C突变肺腺癌细胞，可能有着更高的细胞可塑性，因此更易受到KRAS G12C抑制剂的诱导发生组织学转化，并在相应的小鼠模型（KRASG12c/+/Lkb1flox/flox）上成功复现了adagrasib治疗耐药，耐药肿瘤也呈现组织学类型为鳞癌的特点，鳞癌特异性转录因子ΔNp63染色为阳性，鳞癌相关基因表达也显著上调。进一步的类器官实验则显示，将合并STK11/LKB1共突变的肺腺癌KRAS突变类型换为G12D突变时，大约有一半的类器官会自发性地发生组织学类型转化，即细胞可塑性相对更强，它们也更容易发生对靶向治疗（改用KRAS G12D抑制剂）的耐药，说明KRAS/LKB1共突变型肺腺癌整体都存在组织学类型转化的可塑性倾向。那么组织学转化背后的推动力是什么呢？转录组学和表观遗传学分析显示，多种转录因子都在这一过程中有重要作用，最典型的就是前面提到的ΔNp63，其表达水平在组织学类型转化过程中稳定上升，对类器官维持肺鳞癌形态、耐受KRAS抑制剂治疗有重要意义，而ΔNp63的表达水平又会受到转录因子Elf5经表观遗传机制（抑制可结合ΔNp63启动子区域的Vezf1）的调控。最后，研究者们对类器官模型展开了单细胞测序，以追踪组织学类型转化过程中的癌细胞命运，寻找可塑性强细胞群体中的基因标志物，提炼出了由6个基因（如Krt6a、Aqp3）组成的“组织学类型转化可塑性”基因特征，再结合患者临床资料，确定肿瘤存在KRT6A的表达与组织学类型转化关联最为密切，有可能在临床中识别对KRAS靶向治疗应答不佳的患者。肿瘤存在KRT6A的表达，可能提示患者对KRAS G12C抑制剂adagrasib治疗应答不佳参考文献：[1]Tong X, Patel A S, Kim E, et al. Adeno-to-squamous transition drives resistance to KRAS inhibition in LKB1 mutant lung cancer[J]. Cancer Cell, 2024.[2]Awad M M, Liu S, Rybkin I I, et al. Acquired resistance to KRASG12C inhibition in cancer[J]. New England Journal of Medicine, 2021, 384(25): 2382-2393.本文作者丨谭硕