據最新發表于CA Cancer J Clin雜志的全球癌癥數據統計，全球每年乳腺癌新發病例約210萬，死亡病例62.7萬，在所有導致死亡的癌癥類型中排名第二【1】。乳腺癌細胞可以依據其表達雌激素受體(Estrogen receptor, ER)、孕激素受體 (Progesterone receptor, PR) 的情況以及表皮生長因子受體2(Epidermal growth factor receptor 2, HER2) 基因的擴增水平分為ER陽性 (ER+)，HER2擴增型(HER2-amplified)以及三陰性 (Triple-negative)乳腺癌。
2020年1月13日，美國紀念斯隆凱特琳癌癥研究中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center，MSKCC) 的科研團隊在Nature Genetics上發表文章ARID1A determines luminal identity and therapeutic response inestrogen-receptor-positive breast cancer，發現并闡述了SWI/SNF復合物關鍵組分ARID1A缺失調控內分泌療法敏感度的新機制【2】。徐國泰博士和生物信息學家Sagar Chhangawala博士為文章的共同第一作者，Christina Leslie博士, José Baselga博士(現任阿斯利康制藥公司執行副總裁) 以及Eneda Toska博士為文章的共同通訊作者。
ER和配體雌激素結合后可以激活一系列基因轉錄，對于維持細胞的正常生理活動起著關鍵作用。但是，過度活化的ER通路可能會使細胞發生惡性轉化。70%以上的乳腺癌都是 ER+，而這些腫瘤主要是乳腺管腔細胞 (Luminalcell) 來源的。而另一方面，乳腺組織基底部細胞(Basal cell) 在受到癌驅動基因影響而癌變后,主要產生ER陰性(ER-)的腫瘤 (圖1)。
圖1. 管腔細胞來源的ER+腫瘤和基底部細胞來源的ER-腫瘤。
抗ER或者抗雌激素的內分泌療法(Endocrine therapy) 是針對ER+乳腺癌的首選療法，目前臨床上常用的內分泌療法包括ER功能的修飾劑他莫替芬(Tamoxifen)，用于阻斷雌激素合成的芳香酶抑制劑(Aromatase inhibitor)，以及選擇性ER降解劑氟維司群(Fulvestrant)。盡管這些療法的起始臨床效果很好，但是最終幾乎所有的患者還是會產生耐藥，尤其是晚期出現腫瘤轉移的病人預后較差。然而，目前我們對臨床上相關耐藥的發生機制還依然很不了解。由于ER+乳腺癌發病率極高，而目前還沒有較好的替代療法，因此研究內分泌療法的耐藥機制對更加科學合理地應用本療法以及設計新的治療方案都具有重要的意義。
在同一研究組前期發表于Cancer Cell的研究中，研究人員在MSKCC深度分析了大約1200例ER+乳腺癌病人(600例內分泌治療抗藥性腫瘤vs. 600例未治療腫瘤)的外顯子測序以及拷貝數變異數據，發現一系列與內分泌療法敏感度高度相關的關鍵基因。為了理解這些機制，研究人員將抗性腫瘤分為四組：1)具有ESR1(ER-coding gene)突變的腫瘤；2)具有 MAPK/ERK信號過度活化的腫瘤；3)具有表觀遺傳 (Epigenetics，包括轉錄因子和轉錄調節因子)改變的腫瘤；4)其他位置因素的腫瘤【3】。表觀遺傳機制是指在基因的DNA序列沒有發生改變的情況下，基因功能發生了可遺傳的變化比如DNA甲基化和染色質構象變化，并最終導致了表型的變化。
為了研究表觀遺傳機制如何介導了ER+乳腺癌對內分泌療法耐藥，研究人員主要在以下幾個方面進行了研究：
1）設計并優化了針對表觀遺傳基因組的sgRNA文庫，通過CRISPR/Cas9介導的表觀遺傳基因組敲除文庫篩選，鑒定出ARID1A 缺失可能會影響內分泌治療藥物Fulvestrant的敏感度(圖2)。通過體外和體內試驗，證實中驗證出ARID1A缺失可以對Fulvestrant產生耐藥。尤為重要的是，分析MSKCC的ER+乳腺癌患者數據分析顯示，ARID1A在ER+乳腺癌中有6%的變異幾率，并且研究人員發現攜帶ARID1A缺失性突變的患者對Fulvestrant的無進展生存期 (Progression-FreeSurvival) 較ARID1A野生型 (ARID1A wild-type) 患者顯著下降。
圖2.CRISPR/Cas9介導的表觀遺傳基因組敲除文庫篩選影響內分泌療法敏感度的基因。
2） ARID1A是依賴ATP的染色質重塑 (Chromatinremodeler) SWI/SNF復合物的一種關鍵組分，該復合物的異常可導致核小體位置和結構的變化，引起染色質變化，改變染色質的開放性(Chromosome accessibility)。通過染色質免疫共沉淀-測序技術 (ChIP-seq)，研究者發現SWI/SNF復合物中的兩個關鍵組分BRG1和BAF155在ARID1A敲除 (Knockout)的細胞中不再能被募集到染色質上，提示ARID1A基因對于該復合物在染色質上的募集形成發揮了關鍵作用。研究人員進一步通過染色質開放性測序方法(ATAC-seq)，發現ARID1A缺失引起SWI/SNF的染色質重塑功能減弱，導致染色質開放性的顯著下降。
3）轉錄因子序列分析(Motifanalysis)發現這些ARID1A缺失引起的染色質閉合區域正是ER，FOXA1 和GATA3等轉錄因子與染色質結合并發揮轉錄活性的區域。FOXA1和GATA3作為先鋒轉錄因子(Pioneertranscription factors)，可以結合致密的染色質區域并促進其開放，而染色質開放有助于隨后招募 ER和其他調節蛋白，對于ER轉錄活性的活化和維持ER+管腔細胞癌的命運(Luminalcancer cell lineage)是必需的。
4）通過ChIP-seq和全轉錄組測序(RNA-seq)進一步研究證實，ARID1A缺失導致ER，FOXA1 和GATA3與靶染色質區域結合能力的下降，從而引起ER轉錄活性的下降，進而使癌細胞從ER+的管腔樣細胞通過譜系重編程（Celllineage switching）轉變為ER-的基底樣癌細胞(Basal-likecancer cell)。這一轉變使得癌細胞對ER的依賴性降低，從而產生對靶向ER的內分泌療法的耐藥。研究人員同時也通過RNA-seq方法發現攜帶ARID1A缺失性突變的病人相較于ARID1A野生型病人更接近于ER-的基底樣癌細胞特性，從而進一步證實了ARID1A對維持ER+管腔細胞癌的命運這一分子機制的廣泛性。
5）最后，利用上述同樣方法，研究人員發現敲除SWI/SNF復合物中其他組分，如SMARCB1或者SMARCE1，也可導致相似表型。這一發現揭示了SWI/SNF復合物介導的表觀遺傳機制在維持ER+管腔樣乳腺癌特性和調節內分泌治療的敏感度中的重要作用 (圖3)。
圖3. SWI/SNF復合物參與維持ER+管腔樣乳腺癌特性和調節內分泌治療的敏感度。
根據MSKCC和許多其他中心的臨床數據，ER+的管腔型腫瘤患者中有大約20%在經歷了長期的內分泌療法治療后出現了基底樣的特征,而ER-基底樣腫瘤的表現就是不依賴ER的腫瘤進展和對內分泌療法耐藥【4】。此項研究揭示了SWI/SNF復合物中的一些組分的改變可能是這一臨床現象的原因之一，即SWI/SNF復合物通過ARID1A和其他組分來調控染色質開放性和轉錄因子活性這一表觀分子機制來維持ER+管腔樣乳腺癌的特性和內分泌治療的敏感度。
參考文獻
1. FreddieBray, et al. Global CancerStatistics 2018. CA: A Cancer Journal for Clinicians, 2018.Guotai.
2.Xu#,SagarChhangawala#, et al. Nature Genetics, 2020.
3. Pedram Razavi#,Matthew Chang#, et al. Cancer Cell, 2018.
4. LindaSofie Lindstr?m, et al. Journal of Clinical Oncology, 2012.