决定基因突变致癌能力的关键因素

2021-09-15 17:08:49 BioArt

撰文 | 咸姐
责编 | 酶美

从癌症生物学的角度而言,肿瘤的起源来自于一群具有相同基因突变的癌前细胞中的单个细胞。是的,DNA突变可以致癌。然而,这却不是在任何情况下都会发生的。只有在特定的转录程序以及特定的细胞环境中,DNA突变才会引起细胞的癌变,这种现象就称为“致癌能力”。

黑色素细胞是一类从未分化的胚胎神经嵴细胞开始,经过黑色素母细胞阶段,最后分化而来的产生色素的细胞,黑色素瘤则是一种由黑色素细胞转变而成的癌症,通常由BRAF或RAS突变所驱动(约80%的病例)。其中BRAFV600E[丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B-raf(BRAF),其第600位的缬氨酸被谷氨酸所取代]的表达与神经嵴典型发育特征的异常表达一致,提示神经嵴状态可能与致癌能力有关,BRAFV600E可激活神经嵴谱系程序以启动肿瘤形成。尤其在斑马鱼的神经嵴细胞中特异表达的一种基因crestin,被发现可以在黑色素瘤起始细胞中被重新激活并在肿瘤中维持。由此可见,神经嵴谱系特异性机制的激活以及BRAFV600E等癌基因突变是获得恶性状态的基础【1, 2】。但是,为什么偏偏是神经嵴样状态?又为什么只有这种状态特别容易受到BRAF致癌转变的影响呢?这背后又是什么机制在操控着呢?

近日,来自美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Richard M. WhiteLorenz Studer团队在Science上在线发表题为Developmental chromatin programs determine oncogenic competence in melanoma 的文章,利用人类多能干细胞衍生的癌症模型与斑马鱼转基因模型,证明了BRAFV600E以及其他突变的致癌能力取决于起源细胞中存在的固有转录程序。黑色素细胞本身对突变的反应性较低,但神经嵴和黑色素母细胞群则很容易被转变,而这主要是由于祖细胞具有较高的染色质修饰酶(如ATAD2)表达,其与SOX10形成复合物,诱导下游致癌和神经嵴程序的表达。由此阐明致癌能力是由发育染色质因子的调节介导的,从而促使癌基因做出适当的反应。

为了了解黑色素细胞谱系分化过程中哪些细胞对致癌损伤最敏感,本文研究人员首先利用斑马鱼模型,在p53缺失(p53-/-)背景下,通过使用阶段特异性启动子在神经嵴细胞(sox10启动子)、黑色素母细胞(mitfa启动子)或黑色素细胞(tyrp1启动子)中驱动BRAFV600E来启动肿瘤。结果发现在神经嵴和黑色素母细胞阶段接受BRAFV600E致癌突变的p53-/-斑马鱼可以有效地发展成侵袭性肿瘤,而黑色素细胞则相对有抵抗力,并没有发展成肿瘤,反而发展成了小斑块的痣样细胞。对神经嵴和黑色素母细胞来源的肿瘤进行进一步分析,发现这两类肿瘤在组织病理和转录水平上均有非常大的区别,由此表明对BRAFV600E的反应能力偏向于显示祖细胞基因程序的起源细胞,并且这些程序可导致不同肿瘤的形成。当然,当作者使用CRISPR使tyrp1-BRAFV600E p53-/-斑马鱼中的pten失活时,有11%的斑马线患上了黑色素瘤,由此表明黑色素母细胞和黑色素细胞都有能力产生黑色素瘤,但前者更容易。

为了在黑色素细胞分化的更精确阶段进行致癌能力的机制研究,研究人员随后建立了人类多能干细胞(hPSC)衍生的癌症模型,在hPSC中使用基因靶向技术引入致癌BRAFV600E,并使肿瘤抑制因子RB1、TP53和P16(以下简称3xKO细胞)失活,然后分化为神经嵴细胞、黑色素母细胞和成熟的黑色素细胞。对NSG小鼠进行皮下注射后,与斑马鱼模型类似,3xKO神经嵴细胞和黑色素母细胞都容易形成肿瘤,而3xKO黑色素细胞几乎不成瘤(仅一只动物患上肿瘤),组织病理学和转录水平分析也得出了与斑马鱼模型相似的结果。与此同时,研究人员对三种BRAFV600E 3xKO细胞进行了RNA测序(RNA-seq),并将它们的表达谱与TCGA已发表的黑色素瘤亚群特征进行比较,结果发现hPSC衍生的3xKO神经嵴细胞和3xKO黑色素母细胞与人类黑色素瘤患者样本聚类显著,而hPSC衍生的3xKO黑色素细胞则没有。

为了深入了解这些细胞在致癌能力上的差异,研究人员在野生型(WT)和3xKO背景下对有或无BRAFV600E基因的神经嵴细胞、黑色素母细胞和黑色素细胞进行了RNA-seq分析。结果显示BRAFV600E表达在神经嵴细胞和黑色素母细胞中引起了显著的转录变化,但黑色素细胞对BRAF几乎没有转录反应,很少基因被改变,由此表明黑色素细胞状态下的癌基因激活很难引起转录变化。进一步分析发现这种区别的本质在于黑色素母细胞中富集与染色质修饰相关的多条通路以及特异性染色质修饰因子,由此表明黑色素母细胞表达表观遗传相关因子,使其染色质状态重新连接,以对BRAFV600E作出响应,启动黑色素瘤的发生。

随后,在上述这些染色质修饰因子中,研究人员发现ATAD2(一种含溴结构域的腺苷三磷酸酶)在黑色素瘤患者中普遍扩增或过表达,并与预后差相关。体外实验显示,在hPSC衍生的黑色素细胞中表达ATAD2可获得与祖细胞更接近的表型,而抑制ATAD2则会损害神经嵴的分化。体内实验则证实ATAD2的表达足以使黑色素细胞具有致癌能力,并且可以使那些更具抵抗力的细胞形成黑色素瘤。进一步地实验发现ATAD2可以直接与SOX10(神经嵴发育所需的关键转录因子)和Myc结合形成蛋白复合物,促进SOX10发育靶基因以及与丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)途径相关基因的表达,从而导致黑色素瘤两种主要致瘤机制的活性增加——神经嵴谱系程序和MAPK通路活性。

综上所述,本研究发现细胞对BRAFV600E的反应能力取决于该细胞预先拥有的转录状态,神经嵴和黑色素母细胞阶段都能对BRAFV600E做出反应,而ATAD2是黑色素细胞启动黑色素瘤所必需的致癌活性因子。由此证明致癌能力是由癌基因(如BRAFV600E)、谱系特异性转录因子(如Sox10)和发育调节染色质因子(如ATAD2)共同介导的,黑色素瘤的起源不是单一的细胞,而是取决于这些因子在不同环境或解剖位置的相对水平,从而为靶向治疗开辟了新的可能性。

原文链接:

http://doi.org/10.1126/science.abc1048

参考文献

1. C. K. Kaufmanet al., A zebrafish melanoma model reveals emergence of neural crest identity during melanoma initiation. Science 351, aad2197 (2016).

2. R. M. Whiteet al., DHODH modulates transcriptional elongation in the neural crest and melanoma.Nature 471, 518–522 (2011).

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