Science：梳理患兒腫瘤細胞的基因組尋求答案

發布時間：2013-05-29 16:32 原文鏈接： Science：梳理患兒腫瘤細胞的基因組尋求答案

　　組蛋白翻譯后修飾方式出現異常，以及組蛋白修飾位置出現異常都會導致腫瘤發生。

　　高通量DNA測序技術的快速擴張讓我們能夠以前所未有的速度和精細度對人體疾病展開遺傳學分析，尤其是對罕見的小兒疾病進行全基因組測序(whole-genome sequencing)更是有助于我們對兒童發育，以及多條生化反應信號通路有更基礎的認識和了解。實際上，已經有人用全基因組測序方法首次發現了與某種人類疾病相關的組蛋白(一種包裹在DNA外面的蛋白質)突變。彌漫性真性腦橋神經膠質瘤(diffuse intrinsic pontine glioma, DIPG)是一種好發于腦干部位、進展迅速、不可治愈的小兒腫瘤，大約有80%的DIPG患兒都會攜帶這種組蛋白突變。Lewis等人研究發現，在攜帶了組蛋白突變的DIPG患兒疾病的發病過程中，多梳蛋白抑制復合體2(polycomb repressive complex 2, PRC2)這種重要的基因表達發育調控元件(developmental regulator)的活性發生了改變。

　　在 H3F3A(histone H3.3)或HIST1H3B(his-tone H3.1)這兩個編碼組蛋白H3的基因當中，如果有一個基因的27位賴氨酸突變成了甲硫氨酸，即發生了H3K27M突變，那么攜帶者就會患上DIPG疾病。組蛋白能夠構成真核生物染色質(chromatin)的核心，組蛋白翻譯后的修飾過程與多種DNA相關進程有關，比如轉錄等過程。H3蛋白上的第27 位賴氨酸會在PRC2的作用下發生甲基化修飾，PRC2是一個由多種蛋白組成的復合體，它在人體發育過程中起到了非常關鍵的轉錄抑制作用，是人體內必不可少的一種蛋白復合體。因此，研究組蛋白上賴氨酸位點的具體甲基化修飾作用就成為了一大熱點。對黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)的研究發現，H3K27修飾是對發育相關基因的表達進行調控的必需機制之一，該位點如果突變成了精氨酸，就會使原本能夠被 PRC2抑制的基因激活，并開始表達。在高侵襲性兒科腫瘤DIPG患兒中發現的H3突變更進一步凸顯了組蛋白第27位賴氨酸修飾過程與該疾病的關系。

　　雖然H3K27M突變是一種雜合型突變，即在兩個等位基因中只有一個基因拷貝發生了突變，但是DIPG患兒體內的H3K27三甲基化修飾水平和正常的(野生型)H3基因攜帶者相比還是要低得多，這說明突變明顯地抑制了PRC2甲基轉移酶(methyltransferase)的活性。實際上，包括Lewis 等人在內的多個研究小組開展的生物醫學研究都發現，突變的組蛋白能夠與PRC2復合體中的催化活性位點結合，抑制該復合體的催化活性，如圖所示。通過對患兒腫瘤細胞進行染色質免疫沉淀及DNA測序研究也證實了這種作用機制。正常情況下，野生型H3蛋白的27位賴氨酸會發生三甲基化修飾，可是在腫瘤細胞里這種甲基化修飾作用被明顯地抑制了。不過在對p16Ink4A腫瘤抑制因子等相關位點的抑制過程中也觀察到了甲基化修飾水平升高，同時PRC2復合體與染色質相結合的情況發生。這些出乎意料的發現表明，突變的H3K27M的功能要比我們預想的復雜得多，可能不僅僅是讓賴氨酸甲基化修飾作用減弱而已，還與 H3K27三甲基化修飾蛋白的基因特異性再分布有關。

組蛋白突變與基因表達的關系。(A)在野生型細胞里，PRC2復合體能夠與靶基因結合，使受抑制基因上的H3組蛋白第27位賴氨酸(圖中黃色所示)發生三甲基化修飾(圖中綠色所示)。(B)如果組蛋白 H3發生了H3K27M突變，那么PRC2復合體就更傾向于與結合在染色質上的H3組蛋白K27M突變肽段(圖中藍色所示)結合，不能對組蛋白上的 H3K27位點進行有效的甲基化修飾，同時染色質的自由性也有所降低。這種結合還會改變PRC2復合體的構象。另外，沒有與染色質結合的游離的 H3K27M肽段更加容易與PRC2復合體結合，阻止其與染色質結合。

　　不過還有一個重要的問題沒有得到解答，那就是在DIPG的發病過程中，H3K27M突變究竟是對致病起到決定作用的致病突變(driver mutation)，還是在腫瘤形成之后出現的繼發突變(passenger mutation)，抑或是“導航突變(navigator mutation)”。這種突變在DIPG患者中出現的頻率如此之高，這說明它一定在病變過程中具有某種功能。可是在小鼠試驗中發現，對缺失了具有抑癌作用的p53蛋白的細胞進行轉基因操作，使其表達H3K27M突變組蛋白之后并不會讓小鼠患上神經膠質瘤(gliomas)。所以我們現在還不能肯定 H3K27M突變就是DIPG疾病發生發展所必需的一個因素。研究還發現，在出現H3K27M突變的同時經常還會伴有p53突變和H3.3伴侶蛋白編碼基因ATRX(α-thalassemia X-linked mental retardation protein)的突變，所以H3K27M突變可能起到的是一種協同作用，而不是最重要的致病突變。還有一種可能就是H3K27M突變是在細胞的癌變過程當中被選擇出來的，因為這種突變可以避免腫瘤細胞死亡，或者可以消除在細胞癌變過程中出現的其它獲得性突變給細胞帶來的有害影響。實際上，H3K27去甲基化酶(demethylase)UTX(ubiquitously transcribed tetratricopeptide repeat, X chromosome)發生突變也與細胞增殖能力異常有關。

　　雖然研究只發現H3K27M突變抑制了PRC2復合體的功能，但是細胞內不依賴PRC2復合體的信號通路也同樣受到了影響。H3K27組蛋白主要由UTX蛋白進行脫甲基化處理，UTX蛋白是具有增強子(這是一種DNA元件，能夠在發育過程中對基因表達起到組織特異性的調控作用)結合功能的MLL3/4 COMPASS樣復合體(MLL3/4 COMPASS-like complexes)的組份蛋白。如果組蛋白H3K27位點發生乙酰化修飾作用(acetylation)，同時還伴有H3K4位點的單甲基化修飾，那么就標志著增強子被激活了，這也說明UTX蛋白會在組蛋白發生乙酰化修飾之前對H3K27位點進行脫甲基化處理。有意思的是，Lewis等人發現，在表達 H3K27M突變組蛋白的細胞里，H3K27位點的乙酰化修飾水平升高了。另外還在成神經管細胞瘤(medulloblastoma)患兒體內發現，UTX蛋白和MLL3/4復合體都發生了突變，而且組蛋白H3K4M肽段對H3K4脫甲基酶——賴氨酸特異性脫甲基酶1、2(lysine- specific demethylases 1 and 2, LSD1/2)具有抑制作用。因此，在DIPG發病過程中，H3K27M可能會與UTX脫甲基酶、H3K27乙酰化酶發生相互作用，增強子的功能也可能會發生改變，這些都是值得我們進一步去研究的問題。

　　將來如果要對DIPG的發病過程進行分子水平的研究就需要使用動物模型了。不過Lewis 等人在小鼠體內表達外源H3K27M突變組蛋白之后并沒有讓小鼠患上神經膠質瘤。可是這些實驗都是在小鼠出生之后進行的，這提示我們如果在小鼠胚胎發育期間表達H3K27M突變組蛋白有可能會使小鼠患上DIPG。我們知道小鼠H3F3A等位基因在Cre重組酶(recombinase)的作用下可以促使 K27突變成K27M，這是一個非常值得一試的試驗。遺傳嵌合果蠅也是一個非常有用的系統，可以用來研究突變基因的功能。

　　為什么 H3K27M突變組蛋白與高度惡性的小兒腦干膠質瘤有這么特異的聯系呢?為什么在其它小兒腫瘤或者成人腫瘤中都沒有發現H3K27M突變組蛋白的身影呢?這可能是因為PRC2復合體對H3組蛋白的修飾作用主要發生在發育早期，主要發育大腦功能的階段，也可能是因為其它的組織不能允許出現H3K27M突變。那么為什么在十幾個H3基因中只有2種基因發生K27M突變呢?還沒有人發現能夠編碼與H3F3A蛋白同樣蛋白的H3F3B (H3.3B)基因有突變的情況發生，這可能是因為編碼H3F3A Lys27位點的密碼子是AAG，而編碼H3F3B Lys27位點的密碼子是AAA。所以在H3F3A基因中，只需要突變一個位點，即由AAG突變為ATG就可以完成K27M突變，可是在在H3F3B基因中，卻需要突變兩個位點，即由AAA突變為ATG才可以完成K27M突變。不過這種密碼子假說也只是一種可能而已，因為在10種H3.1編碼基因中有6種基因的Lys 27編碼密碼子都是AAG，所以我們還需要對其它組織里H3.1蛋白的表達情況進行更深入的研究才能更好地解答這個問題。最開始是在H3.3蛋白編碼基因和沒那么多見的復制依賴(replication-dependent)的H3.1蛋白編碼基因里發現K27M突變體的，這說明這可能與細胞周期依賴的染色質組裝過程有關。H3組蛋白發生K27M突變之后可能會改變它摻入染色質的功能。在全基因組范圍內了解這種突變H3組蛋白參與形成染色質的情況，可能會對研究該蛋白的功能有所幫助。由于還沒有在DIPG患兒體內發現突變的PRC2復合體，所以PRC2復合體的正常功能可能也與疾病的發生和發展有關。不過如果是因為PRC2復合體功能出現異常，而不是完全喪失功能，才導致DIPG發生，那么這說明H3K27M突變體也在小兒腦干腫瘤的發生過程中起到了作用。這也提示我們PRC2復合體有可能成為抗癌治療的靶標分子。