003-H3K27M突变DIPG代谢和表观多组学整合分析

Integrated Metabolic and Epigenomic Reprograming by H3K27M Mutations in Diffuse Intrinsic Pontine Gliomas.png

今天带来一篇发表在Cancer Cell上关于H3K27M胶质瘤代谢与表观遗传整合分析的文章，对于理解糖代谢与表观调控具有十分重要的启示意义。

背景

• H3K27M胶质瘤H3K27me3水平的整体降低，可能是一个潜在的治疗策略；
• 科学假设：H3K27M突变胶质瘤整体的H3K27me3甲基化水平下降，是收到代谢调控的。

结果

1：H3.3K27M胶质瘤糖酵解和TCA循环代谢水平增强

• H3.3K27M过表达的神经干细胞（NSCs）表现出global的H3K27me3的下降以及H3K27ac水平的上升；但是H3K36me3，H3K4me3，H3K4me1的水平并没有发生显著的改变；RNAseq揭示了糖酵解和TCA循环相关酶的表达上调；

• 同位素标记和蛋白组学均显示，糖酵解和TCA循环的水平在H3K27M中增强

  
  Figure 1.png
• ChIPseq的数据进一步提示，相关代谢酶（Slc2a3，Hk2，Glud1和Idh1）存在H3K4me3的富集以及H3K27me3的排斥（符合二价染色质调控？）

2：H3K27M胶质瘤表现出较高的谷氨酰胺和柠檬酸盐的代谢水平

• 病人的MRS扫描显示，H3K27M胶质瘤具有更高的谷氨酰胺和柠檬酸盐的累积；

  
  Figure 2.png

3：谷氨酰胺代谢和糖代谢能够共同调节H3K27M胶质瘤的me3水平

• 组蛋白去甲基化酶KDM6A/6B，将α-KG作为辅因子，在将其转变为琥珀酸（succinate）的同时将组蛋白去甲基化，因此，较高的α-KG/Suc比例，有助于H3K27me3进行去甲基化。而增强的糖酵解以及TCA循环能够为该反应提供大量的α-KG；
• 去除培养基中的谷氨酰胺，能够增加H3K27M胶质瘤中的甲基化水平；此外，H3K27M细胞系对于去除谷氨酰胺更为敏感，但这种表型能够被外源的α-KG进行回补；

• 不同细胞系对去除谷氨酰胺的表现并不一样，这可能是由于细胞中α-KG的来源主要有两种，一类是从糖代谢中转化过来，一类是从谷氨酰胺转变过来；两者在机制上存在一种冗余的机制，但在不同的细胞中，其各自所占的比重也不尽相同。

  
  Figure3.png

4：抑制糖代谢能够增加H3K27me3并抑制增殖

• 通过多种方式对代谢通路进行抑制（shRNA敲低，glutamine的拮抗剂，以及酶的抑制剂等）；
• 抑制GDH，HK2，IDH1可以降低α-KG/Suc的比值，增加H3K27me3水平，抑制H3.3K27M细胞的增殖能力。

5.GDH，HK2和IDH1敲低会导致神经胶质分化相关基因的染色质开放程度的改变

• 在敲低GDH，HK2和IDH1之后，通过ATAC-seq对染色质开放程度改变的基因位点进行研究，发现敲除相关基因之后，与细胞干性相关的基因（CD166和SOX1）开放程度降低，而与神经胶质分化相关的基因（GFAP和CHD4）表达上调，而那些H3K27me3有保留的基因位点（HOX loci和CDKN2A）并没有出现显著的改变。

  
  Figure 5.png

6：抑制IDH1和谷氨酰胺代谢在体内有抗H3K27M作用

• DON和JHU-083的透过血脑屏障的效率较高。

7：IDH突变和H3K27M互斥的机制探究

• 在H3K27M突变胶质瘤细胞中加入2-HG，可以抑制肿瘤细胞的生长；相比之下，H3 G34V和H3 WT的对2-HG的效应并不明显；

• 诱导表达IDH1 R132H的效用与加入2-HG的效应类似。

  
  Figure7.png

总结

• H3K27M突变增强了糖代谢，谷氨酰胺代谢和TCA循环；
• TCA循环产生的大量α-KG对于维持H3K27低甲基化状态十分关键；
• 靶向野生型的IDH1或者GDH抑制α-KG的产生，对于H3突变胶质瘤具有一定的治疗意义；
• H3.3K27M和突变型IDH1在胶质瘤中具有互斥的现象，以及合成致死效应。