006-原癌组蛋白

今天阅读一篇关于原癌组蛋白的一篇综述，通讯作者是哥本哈根大学的Kristian Helin教授，也是一位表观遗传学界的大佬，发表过很多有关H3K27M肿瘤的一些研究。

本文涉及的一些科学问题

• 为什么原癌组蛋白主要限于特定的癌种，尤其是儿童肿瘤（DIPG）？
• 为什么组蛋白的突变局限于特定的基因中（H3F3A）？
• 组蛋白突变驱动的肿瘤最初的细胞类型（OPC）？
• 除了目前揭示的几种突变之外，是否还有其他的突变导致了原癌组蛋白的出现？
• 原癌组蛋白是怎样影响整体的染色体构象，并最终导致肿瘤的发展？

关于组蛋白

• 组蛋白可以分为一些经典类型和变体，已经典型为主，主要在S期合成，并且与DNA的复制过程相互偶联；变体的合成没有细胞周期的限制；
• 组蛋白携带了大量的翻译后修饰，并被很多特定的生物酶进行维持和去除，这一过程的异常会导致肿瘤发展和发育异常；
• 原癌组蛋白的定义：在特定的氨基酸位点出现错义突变的组蛋白；

• 从H3突变引发的肿瘤往往发生在特定的部位，可以推测这种突变一定发生在特定的肿瘤发生细胞中；

  
  Figure 1.png

组蛋白H3和它的变体

• H3.1和H3.2是H3的两种主要形式，此外还有包括H3.3在内的其他的变体；
• H3.1和H3.2在细胞周期中与CAF1结合，进行周期性的合成；而H3.3则与DAXX-ATRX/HIRA这两个分子伴侣进行结合；
• H3K27M突变和H3G34R/V首先在儿童高级别脑胶质瘤中被发现，随后H3K36M和G34W/L也在软骨肉瘤和骨巨细胞瘤中被发现，这两个疾病均以儿童为高发；
• K27M和G34V各自具有显著的疾病特征，并且在发生上互斥；
• K27M主要发生在组蛋白H3.3亚型中，在H3.1和H3.2的发生频率较低，具体机制仍然不清楚；
• H3.1K27M突变的胶质瘤好发于年轻患者的脑桥位置，并且比H3.3K27M的患者预后更好；
• 此外两者在基因表达谱上也存在差异，H3.1K27M肿瘤表达谱更为接近间质型和星状细胞瘤；但是H3.3K27M的肿瘤则更为接近前神经元型和少突细胞瘤；
• DNA层面，两者共突变的基因也不同，H3.1K27M与ACVR1和BCOR共突变；H3.3K27M胶质瘤易与PDGFRA，TOP3A，和TP53共突变；

儿童高级别脑胶质瘤中的H3K27M突变

• PRC2催化H3K27的甲基化，它同时拥有促癌和抑癌的效应；
• 在小鼠和人的细胞系中外源表达H3.3K27M和H3.1K27M都能够导致整体的H3K27me3水平下降，而一旦突变为K27I，这种效应就变得不如K27M明显；其他的突变则完全不存在H3K27me3 loss的效应；
• H3K27M细胞中仍然存在H3K27me3的位点，H3K27me3的信号密度甚至比原先的野生型更高；
• Funato等在2014年通过在ESC诱导的NSCs中外源表达H3.3K27M和PDGFRA，并同时敲低P53，能够诱导NSCs进入更为原始的状态；与H3WT过表达的NSCs相比，H3K27M外源表达的组，其H3K27me3分布的差异更为显著；
• 起始H3K27me3/PRC2水平较低的，H3K27me3被完全削弱；起始水平较高的，其H3K27me3往往没有变化；那些反向升高的，与起始的状态并没有特别显著的相关性；
• H3K27M胶质瘤通常伴随着CDKN2A的高甲基化修饰，抑制抑癌基因p16的表达水平，但是p16抑制如何导致肿瘤生成仍然未明确；
• H3K27me3的缺失是肿瘤生成的因还是果，这一关键问题，尚未得到明确；
• H3K27M突变只有在特定发育阶段才能导致肿瘤的发生；
• 尽管主流观点认为，H3K27M通过与PRC2进行结合，抑制其活性，但是采用单独突变的肽段抑制PRC2的功能却未能引起类似的效应；

Figure 3.png

软骨肉瘤中的H3K36M突变

• 软骨肉瘤中H3K36M突变频率能够达到95%，并且突变也会导致H3K36位点甲基化水平的改变；
• H3K36位点的甲基化也是由组蛋白甲基转移酶HMT催化的：NSD1，NSD2，NSD3以及ASH1是催化H3K36单甲基化和双甲基化的主要酶，但是SETD2是已知的唯一能够催化H3K26me2向H3K26me3转变的酶。并且H3K36me2和H3K36me3在有转录活性的位点有一定的富集；
• 除了对基因转录翻译的调控，有研究还提示，H3K36me2和H3K36me3与DNA修复，剂量补偿，剪接，等方面具有非常重要的作用。
• H3K36M突变会导致H3K36me2/3的缺失，K36M的肽段能够抑制NSD2和SETD2的功能；
• 全基因组水平的研究发现，H3K36M会导致整体H3K36me2水平的下降，并且伴随着转录水平的下调；
• H3的分布被发现没有随着K36M的突变发生改变，提示H3K36M并不影响H3的分布；
• 有趣的是，不同组蛋白突变产生的效应还会发生交联，例如：H3K36M的表达会导致H3K27me3水平的上调
• 随着H3K36M与SETD2晶体结构的解析，发现H3K36M对SETD2是类似与H3K27M与PRC2的结合的。

儿童高级别脑胶质瘤和骨巨细胞瘤H3G34

• H3G34R/V的肿瘤在病理学上与H3K27M具有显著的差异；并且在临床特征以及预后情况上都有显著的不同；
• 与H3K27M不同，H3G34的突变并不能带来表观遗传学上的显著改变；
• 由于H3G34R/V在位置上与H3K36较为接近，因此H3G34的改变也会影响到H3G36me2/3的改变；
• 与H3K36M类似，H3G34突变的肽段同样能够插入到SETD2的核心结构域中，从而对SET的功能进行抑制；
• H3G34R只需要突变密码子上的一个核苷酸，而H3G34V则需要突变两次，这也解释为什么在儿童HGG中H3G34R的频率相对H3G34V更高；
• 除了与SETD2结合，H3G34R还能够破坏ZMYND11与H3.3K36me3的结合。
• H3.3G34R的表达能够增加MYCN的表达水平，并且有显著的基因不稳定事件；

对于原癌组蛋白表达的肿瘤进行表观组靶向治疗

• 为了对H3K27M导致H3K27me3水平下降的效应进行逆转，抑制H3K27me3的去甲基化酶的药物已经在儿童HGG中进行应用；相关靶点有JMJD3，UTX，通过GSK-J4进行抑制。有趣的是，GSK-J4仅对H3K27M突变的肿瘤有作用，而对G34改变的胶质瘤效果不大；相关机制仍然不太明晰；
• 另一种方式是没有选择性的组蛋白去乙酰化酶的抑制剂HDAC，随着H3组蛋白乙酰化水平的上升，其H3K27me3的水平也有显著的上调；这种效应是与直觉相悖的，因为一般来说，H3K27M突变的肿瘤中，组蛋白乙酰化水平是上调的。但是组蛋白去乙酰化酶抑制剂的作用靶点非常广泛，也为其临床的应用前景蒙上阴影。
• H3K27乙酰化水平的上调也导致其与BRD蛋白结合增强，通过抑制BRD蛋白的功能，也被发现能够抑制H3K27M肿瘤细胞的增殖活性；
• 尽管H3K27M肿瘤中PRC2的活性被抑制，但其残余活性仍然对细胞的存活十分关键。因此，抑制EZH2能够显著地抑制DIPG细胞的活力。研究发现一旦删除p16的表达，DIPG对EZH2抑制剂的敏感性就大大下降，提示EZH2的作用可能是通过抑制p16发挥的。由于p16与RB蛋白的结合被抑制，下游的CDK表达活跃，进而导致细胞周期的异常。因此，相应地抑制CDK4/6的功能，也对DIPGs的增殖活性具有抑制作用。

总结

• 近十年来，有关组蛋白突变对于表观遗传学的研究被大量报道，也增加了我们对于原癌组蛋白的认识和理解
• 需要注意到，在H3K27M突变的肿瘤中，仍然具有残余的PRC2的活性，因此K27M对PRC2的抑制并不是绝对的；如果进一步抑制PRC2的功能，对于DIPG细胞反而是致死性的；
• K4/K9的突变在细胞系水平也被证明能够显著地影响基因组的甲基化水平，但是在真实病人中并没有发现，其具体的机制仍然值得进一步探究。