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详细综述| 致癌超级增强子的形成及其调控癌症发生发展的分子机制,你想知道的都在这里

超级增强子(SEs)是由许多增强子与大量转录因子结合而成的复合原件。作为重要的顺式调节元件,可以识别人类细胞的特异性。在肿瘤发生过程中,DNA突变和插入缺失、染色体重排、染色质3D结构变化和病毒感染均能促进致癌SEs的激活,进而调节癌基因的表达。因此,特异性抑制致癌SE的组装和激活可作为一种新的强大的癌症治疗策略。本文介绍了致癌SE的形成和活化机制,阐述了SEs在肿瘤中的致癌作用机制及其作为治疗靶点的应用。最后,讨论了SEs在基础研究和临床试验中的应用。

介绍

增强子作为一个短的DNA序列,能显著促进目的基因转录(1)。近年来,对增强子的研究越来越多,其结构和调控机制也进一步明确。转录因子(TFs)与增强子结合以招募辅助激活因子,如介体复合物CREB结合蛋白(CBP)和p300来改变染色质空间结构,促进TFs与增强子、启动子或RNA聚合酶II相互作用,激活转录(2)。组蛋白和DNA的表观遗传修饰是调节增强子活性的主要介质。例如,组蛋白H3在赖氨酸4(H3K4me1)处的单甲基化和赖氨酸27处的乙酰化(H3K27ac)与功能性增强子的激活相关 (3)。增强子可转录生成增强子RNA(eRNA),eRNA的表达水平与相邻基因的表达有关,提示增强子在基因转录中起重要作用(4)。
除了典型增强子外,还有另一种增强子,叫做超级增强子(SEs)或拉伸增强子,大约有数千碱基(平均长度约9kb) (5)。SEs能与细胞中大量的组织特异性TFs结合,如OCT4、SOX2和Nanog (6)。与典型增强子类似,SEs与TFs、介体复合体、染色质调节器和RNA聚合酶II复合物结合,但SEs上这些活性分子的密度是典型增强子的数倍(6)。因此,与典型增强子相比,SEs能更显著地驱动靶向基因的转录(Fig. 1a)。此外,SEs产生的eRNA(称为seRNA),seRNA在生理、生化和病理过程中具有广泛而深远的意义 (5,7)。SEs的作用机制与典型增强子相似,研究表明,SEs在肿瘤发生发展中起着重要作用,可能成为肿瘤治疗的靶点。在肿瘤发生过程中,DNA突变和插入缺失(8)、染色体重排 (9,10)、染色质3D结构变化 (11,12)和病毒感染 (13)均可驱动致癌SEs生成,进而促进癌基因转录。本文阐述了SEs的结构和激活方式,介绍了SEs的调控机制及其在肿瘤发生发展中的作用,并探讨了针对癌性SEs的治疗策略。

图1。SE功能和激活示意图。a、 增强子和SEs被高密度的转录调节因子所占据,包括转录因子、辅激活因子和RNA-pol-II复合物。b、 SEs活化的相分离模型。转录调控因子之间的高密度相互作用在SE位点形成相分离的多分子复合物,导致SE驱动基因的转录。


SEs的特征和鉴定

SEs不同于典型增强子,其跨越一个大的基因组区域,平均大小为8.7kb (6)(Fig. 1a)。介质复合物、染色质因子、H3K27ac和H3K4me1、组蛋白乙酰转移酶、p300和CBP组蛋白乙酰转移酶、RNApol II和eRNA,均富集在SEs区域,且具有很强的染色质可及性(5)。主要TFs(如OCT4、SOX2和Nanog)在典型增强子和SEs中的结合数量相似,然而TFs Klf4和Esrrb在SEs中的活性明显高于典型增强子(5,6)。与典型增强子相比,SEs在Wnt、TGF-β和白血病抑制因子(LIF)通路中具有更高的信号值,并且SEs比典型增强子对增强子的干扰更敏感 (14-16)。与典型增强子相比,SEs的单个组分增强子能够促进转录 (6)。单个组分增强子间的相互作用或协同作用在基因调控中有重要功能,某个组分增强子的缺失可能会损害其他SE组分的活性,导致整个SE的功能障碍 (8,14,17)。SEs有大量TFs结合位点,招募MED改变染色质的空间结构,促进TFs与增强子、启动子或RNA pol II相互作用 (18)(Fig. 1a)。通过类似于聚合物缩合的相分离现象,蛋白质和核酸的不均匀混合物被组装成无膜细胞器结构,这些无膜细胞器在细胞环境中迅速交换成分,以适应环境改变,动态、协同和多价的分子间相互作用与液-液相分离有关 (18-20)。这种相分离模型可用于阐明SEs的形成、功能和性质 (21)(Fig. 1b)。研究表明,BRD4和MED1的内在无序区(IDRs)可以在SEs介导的转录位点形成相分离的液滴,MED1-IDR液滴通过分隔和浓缩促进它们与核提取物的分离。因此,SEs缩合物借助TFs和辅因子中IDRs的相分离特性,促进转录组分在特定基因上的区域化和浓缩(19)。相分离浓缩物的形成也与TFs OCT4和GCN4以及介体复合物中的活化域有关 (22)。粘连蛋白的缺乏会导致核内SEs广泛融合,限制SE-SE相互作用 (23)。这些报告为阐明SE的转录调控和生物学机制提供了一个新的模型 (18)。
染色质免疫沉淀高通量测序(CHIP-seq)(24),DNA酶I高通量测序(DNase-seq)(25)和染色体构象捕获(3C)(26)技术用于增强子/SE的预测及鉴定。在此基础上,一系列衍生的方法,如ChIP-exo (27)、FAIRE-seq (28)、GRO-seq (29)、ChIA-PET (30)、ATAC-seq (31)、STARR-seq (32)、Hi-C(染色体构象捕获与测序耦合) (33)和HiChIP (34)等也被用于鉴定增强子/SEs。ChIP-seq是一种高分辨率、低噪声、高覆盖率的全基因组分析方法,可用于分析组蛋白修饰、核小体定位和转录因子结合位点(24)。ChIP-seq使用组蛋白修饰标记来识别SEs相关的分子,例如转录因子、转录辅助因子p300、H3K27ac和H3K4me1 (24)。DNase-seq是一种利用高通量测序技术分析DNaseⅠ酶敏感区超敏位点以预测增强子的生物技术 (29)。ChIP-seq用于分析粘连蛋白,其与染色质之间的相互作用可以通过3C、4C(循环染色体构象捕获)、5C(染色体构象捕获碳拷贝)或Hi-C技术直接分析 (26,33)。全基因组增强子/SEs的鉴定使人们对增强子/SEs的研究更加系统和全面。

致癌SEs的功能

在肿瘤发生过程中,肿瘤细胞获得特异性SEs来促进癌基因表达,激活信号通路,加速癌症发展 (35,36)。这些特异性SEs被称为致癌SEs。致癌SEs在多发性骨髓瘤细胞中被首次发现,其与大量MED1和BRD4结合 (15)。H3K27ac CHIP-seq已在多种人类癌细胞中鉴定出SEs,包括结直肠癌、前列腺癌、胰腺癌、乳腺癌、肺癌、肝癌、宫颈癌和多发性骨髓瘤、CML、T细胞白血病、淋巴细胞白血病、胶质母细胞瘤、神经母细胞瘤、小细胞肺癌、髓母细胞瘤、食管癌、胃癌和黑色素瘤 (5,37)。
致癌SEs通过增强癌基因转录促进癌症进展。例如ERG、CYP24A1、GJA5、SLAMF7和ETV1基因(38,39)。CRC相关SEs在转录因子4(TCF4)结合位点富集,结直肠癌细胞的ChIP-seq数据表明,TCF4是Wnt通路的末端TF,占据c-MYC位点。TCF4是Wnt信号的一个靶点,在癌细胞获得致癌性SEs后,显示出强烈的H3K27Ac信号 (14)。MCF-7细胞的H3K27AcChIP-seq数据源表明,SE靶向的ESR1基因只编码雌激素受体α(ERα);此外,这种致癌转录因子可以通过不同的信号通路来区分癌症亚型 (40)。

致癌SEs的形成

大量全基因组研究表明,疾病相关的体细胞变异主要发生在非编码基因组中 (41)。体细胞可通过基因组缺失、重复、易位、插入、反转和单核苷酸多态性(SNP)等获得SEs (42,43)。这些基因改变可以破坏SEs中的TF结合位点,改变SEs拷贝数及基因组空间,引起SEs激活或抑制,最终导致邻近靶基因的调控失常。总之,突变和基因组改变(44-46)、染色体重排 (47)、染色质3D结构改变 (42)和病毒癌基因 (48)引起的SEs位置空间变化均可形成新的致癌SEs。

DNA突变和插入缺失导致致癌SEs形成

增强子/SE的DNA序列突变,可以改变启动子和增强子/SE的功能。在T细胞急性淋巴细胞白血病(T-ALL)中,TAL1癌基因上游的非编码基因间区小范围插入2-18 bp可产生转录因子MYB结合位点,MYB招募CBP/p300乙酰转移酶和TAL1转录因子复合物,促进致癌SEs形成,并驱动白血病关键基因TAL1表达 (8)(Fig. 2a)。除了小的插入,SNP也可驱动致癌SEs活性。例如,在神经母细胞瘤细胞中, SE附近的SNP改变了一个保守的GATA结合基序,使其变成TATA基序,从而抑制SE活性,下调LMO1表达。此外,SNP会破坏与肿瘤抑制基因相关的SEs,从而促进肿瘤的发生 (46)。全基因组相关的meta分析表明,BMF(BCL2修饰因子)基因15q15.1位点的SNP产生SEs调节促凋亡基因BMF,破坏TF-RELA与SE的结合,导致BCL2抗凋亡功能增强,促进肿瘤发生(44)(Fig. 2b)。

图2。致癌SE形成的各种机制。a、 TAL1癌基因上游非编码区的小片段插入可诱导形成TF-MYB结合位点,活化驱动TAL1表达的SEs。MYB结合并招募H3K27乙酰化酶及CBP,形成含有RUNX1和GATA-3的TAL1转录复合物。b、 15q15.1位点的SNP产生促凋亡基因BMF的SEs,破坏TF-RELA与SEs的结合,激活BCL2的抗凋亡功能,促进肿瘤的发生。

染色体重排产生致癌SEs

基因组重排、反转、易位和缺失将SEs从其自然基因组环境转移到癌基因区域,导致SE活化。称为“超级增强子劫持”,这种现象在各种癌症中都有报道,包括急性髓细胞白血病(AML)、神经母细胞瘤、髓母细胞瘤和结直肠癌 (10,35,47)。例如,AML细胞中一个9-kb片段的反转,将SE从GATA2肿瘤抑制剂的角色重新定向为EV1癌基因增强子,导致肿瘤抑制因子的下调和癌基因的激活 (10)。在ACC中,染色体易位将远端SE重新定位到MYB基因的近端,导致MYB的高表达 (49)。同时3C结果证实了MYB启动子与异常易位SE之间存在染色质相互作用 (10)。此外,转位的SE元素含有MYB结合位点,这些位点与MYB主动结合形成一个正反馈环,进一步增强了MYB的表达。研究发现基因融合也能产生SEs,如C19MC–TTYH1基因融合产生的杂交SEs促进C19MC–LIN28A–MYCN癌基因表达,进而驱动胚胎限制性DNMT3B6的表达,以促进恶性表观遗传状 (50)。除了基因组重排,拷贝数的变化也会导致致癌SEs活化,如在KLF5、USP12、PARD6B、MYC和其他癌症相关基因附近的SEs局部扩增可导致癌基因的异常表达 (16,49)。

染色质3D结构改变导致癌SEs的形成

哺乳动物基因组被划分为一系列拓扑相关结构域(TADs),这些结构域是染色体的结构和功能单元,在空间上限制转录调控回路(51)。TADs具有抑制长程增强子-启动子相互作用的功能,TADs边缘的遗传和表观遗传破坏可调节基因表达,允许新基因和增强子/SE占据与增强子/SE劫持相关的空间,导致癌症发生 (51)(Fig. 2c)。TADs是由染色质环结构形成的,常调控环化因子CCCTC结合因子(CTCF)和粘连蛋白。CTCF元素的存在将TADs与相邻增强子隔离 (47)。科学家发现TADs边缘缺失可导致活性染色质扩散到邻近融合的TADs,并产生SEs,促进肉瘤和鳞癌细胞中IRS4基因的表达 (47) (Fig. 2c)。在T-ALL细胞中,CTCF结合位点的破坏会促进TAL1和LMO2表达,促进T细胞转化 (52)。据报道,在胶质瘤中,CTCF位点甲基化的增加会破坏部分TADs结构,从而激活PDGFRA基因 (53)。

图2。c、 癌基因的激活是通过结构变化或表观遗传的失调实现的。

病毒感染介导致癌SEs的形成

病毒感染可诱导SEs的形成,从而促使参与细胞增殖和存活的关键基因转录。具有致癌活性的病毒包括爱泼斯坦-巴尔病毒(EBV)、人乳头状瘤病毒(HPV)、人类T细胞白血病病毒(HTLV)和人类乙型肝炎病毒(HBV)。EBV感染人类B细胞后,产生癌蛋白,包括EBNA2、3A、3C和EBNALP。这些癌蛋白激活NF-κB亚单位并与SEs结合以驱动MYC MIR155、IKZF3和BCL2等促生存和抗凋亡基因转录,促进淋巴母细胞系的生长 (13,54)。进一步的研究表明EBV-SEs(ESEs)可转录成eRNA,有助于MYC癌基因转录激活,沉默MYC-ESE eRNA显著抑制了癌细胞生长 (48)。高危HPV癌蛋白E6通过靶向组蛋白去甲基化酶KDM5C激活宫颈癌SEs促进肿瘤发生 (55)。人类嗜淋巴病毒Ⅰ型(HTLV-I)常引发成人T细胞白血病/淋巴瘤(ATLL)。ATLL细胞的增殖依赖于BATF3和IRF4,它们共同驱动ATLL特异性基因的表达。病毒转录因子HBZ在所有ATLL病例中均有表达,HBZ与BATF3SE结合,进而调节BATF3和MYC基因表达,加速ATLL细胞增殖 (56)。

致癌SEs激活信号通路的分子机制


致癌SEs在与肿瘤信号通路相关TF结合位点均有高密度富集。表明SEs作为可触发靶基因表达,进而激活多种途径,包括Wnt (57,58)、TGF-β(59)和LIF通路 (60)。
Wnt通路在肿瘤发生中起重要作用。研究表明,在结直肠癌细胞中,Wnt通路相关的SEs在TCF4(Wnt通路中的一个终端TF)的结合位点富集,Wnt信号与染色质结构协同作用,调控AHCTF1,AHCTF1通过β-catenin将核孔蛋白与致癌SEs连接起来,促进癌基因MYC表达 (14,57)。TGF-β信号转导对肿瘤侵袭和转移的增加尤为重要。在胰腺癌细胞中,TGFBR2中一个SE的缺失显著地下调了TGFBR2的表达,导致TGF-β诱导的迁移和EMT受损 (59)。LIF被认为是肿瘤特异性SEs调控的重要因子,UTX是LIF转录的关键激活因子。GSK-J4是一种UTX抑制剂,它能破坏LIF基因位点的SEs,抑制LIF信号通路活化 (61)。除了上述的信号通路外,还有许多其他通路与癌性SEs有重要关系。例如,RAS信号可直接调节SEs功能,在横纹肌肉瘤中,癌基因RAS通过调抑制MYOG SE活性,下调MYOG表达,抑制肌源性分化(62,63)。

靶向致癌SEs的治疗策略

越来越多的研究表明,SEs在肿瘤的发生发展中起重要作用,故致癌SEs可能是肿瘤治疗的理想靶点(64)。目前,针对癌性SEs的小分子抑制剂主要有BET抑制剂(BETis)和细胞周期蛋白依赖激酶(CDK)抑制剂,它们通过抑制癌性SEs驱动的癌基因转录选择性杀伤癌细胞。前者是BET家族蛋白(BRD2、BRD3、BRD4和BRDT)的竞争性抑制剂,后者的主要靶点是CDK7和CDK9 (65,66)。
转录起始、中止和延伸是通过辅助因子的有序激活进行的。BRD4可识别富含H3K27ac标记的致癌SEs,并与介导体、辅助激活复合物相互作用,募集CDK7和CDK9。CDK7在丝氨酸5(S5)、丝氨酸7(S7)和TFIIE位点磷酸化RNA PolII C-末端结构域(CTD)来控制转录起始 (66)。CDK7抑制可下调CTD磷酸化,进而调控转录暂停、延伸和终止。最终,CDK7通过磷酸化CTD和/或活化CDK9/P-TEFb促进组蛋白甲基转移酶SETD1A/B和SETD2的募集 (67)。CDK9是控制转录延伸率的重要分子。作为一种主要的CTD丝氨酸2(S2)激酶,CDK9磷酸化了NELF的NELF-E亚单位和DSIF的SPT5亚单位,使RNA PolII的释放暂停在近端启动子处,从而诱导延伸 (68)。

靶向致癌SEs的小分子抑制剂

与传统的增强子驱动基因相比,SEs驱动基因对染色质/转录调节器的抑制具有更高的敏感性(69)。敏感性的提高可能归因于这两个互补机制:(1)组分增强子的协同作用;(2)致癌TFs的短半衰期 (16,66)。富含TFs的SEs通过前反馈环维持TFs高表达,SE缺失可能导致转录减少 (16)。致癌SEs驱动癌基因转录,不断促进细胞生存和增殖。这种异常的SEs促进转录为抗癌治疗提供了新的途径。因此,开发了几种靶向致癌SEs的小分子抑制剂,并观察了它们在体内外潜在的临床前效应,其中一些抑制剂取得了较好的结果。
第一代CDK抑制剂被称为pan-CDK抑制剂,在体内表现出对CDK的低亲和力和高细胞毒性。例如,CDK抑制剂flavopiridol可以在某些情况下诱导G1和G2期的细胞周期阻滞,并诱导细胞毒性反应 (70)。虽然它具有广谱的体外活性,但在体内活性较弱 (71)。因此,需研发第二代CDK抑制剂,提高其选择性。此外,BET抑制剂(BETi)JQ1处理使SEs相关的BRD4缺陷,抑制转录延伸。在MYCN扩增的神经母细胞瘤中,THZ1治疗导致SE相关基因的优先下调,包括MYCN (16)。

BET抑制剂

研究报告表明,染色体易位使NUT基因与BET基因BRD4融合,产生一个框内BRD4–NUT癌基因,诱发NUT中线癌 (72)。用BETis沉默BRD4–NUT融合基因可抑制NUT癌细胞的分化和增殖 (72)。在急性髓系白血病和多发性骨髓瘤的临床前模型中,BETis(I-BET151和JQ1)能显著抑制对肿瘤进展 (73,74)。最近的报道也表明,新型BETis在多种实体瘤和血液肿瘤中具有明显的抗肿瘤活性(75)。BETis靶向BRD,直接影响主要转录因子和癌症特异基因表达,如MYC(76)、AR和TMPRSS2–ETS融合基因(77)、TERT(78)、BCL2(78)、FOSL1(79)、E2F2(80)、ITK(81)、IL7R(76)、CDK6(80)、IRF4(82)和IKZF1 (83)。在BET家族中,BRD4在转录中的调控作用尤为突出,被认为是BETis的有效靶点。TFs-YAP和TAZ在BRD4向SEs募集中起关键作用,YAP/TAZ定位的增强子/SEs对BRD4缺失及JQ1治疗有很强的敏感性(84)。一些BETis抑制剂已进入Ⅰ期或Ⅱ期临床试验。虽然这些研究尚处于起步阶段,但为癌症的临床治疗提供了新的方向。

CDK抑制剂

目前,只有CDK7,CDK9和CDK8被报道参与了转录周期的调控。除pan-CDK抑制剂外,还有许多选择性靶向CDK7或CDK9的抑制剂逐渐得到研发,如THZ1和LDC067。THZ1通过修饰半胱氨酸312抑制CDK7活性,在THZ1处理的1000个癌细胞株中,超过一半的细胞株显示THZ1<200nm的IC50值,THZ1剂量越高,抑制转录的效果越显著 (85)。在T-ALL中,靶向SEs驱动的RUNX1可以增强对THZ1的敏感性 (85)。此外,THZ1在三阴性乳腺癌(TNBC)、MYCN扩增神经母细胞瘤与小细胞肺癌中可以选择性靶向SEs驱动的转录过程 (16,40,66)。在AML临床前模型中,靶向CDK7和CDK9的CKIα抑制剂,会增强CKIα诱导的p53激活,抑制SEs驱动的癌基因,并诱导细胞凋亡 (86)。LDC067是第一批具有CDK9选择性的化合物之一,并且已被证明对CDK9的选择性比其他CDK高55-230倍(87)。研究发现,LDC067可抑制HeLa细胞和原发性AML细胞的转录并诱导肿瘤细胞凋亡 (87)。CDK8参与了SE调控基因的转录。皮质类固醇A对CDK8和CDK19有很高的亲和力,在多种体外白血病细胞株及AML小鼠模型中具有抗增殖活性 (88)。THZ531是一种CDK12/13抑制剂,与PARP抑制剂在体内外尤文肉瘤模型中具有协同作用 (89)。虽然这些抑制剂的结构和生物学验证尚未完成,但它们对SEs相关转录调节因子的抑制作用已明确,这为靶向癌基因提供了一种新的途径。

讨论

SEs在转录调控中起着重要作用,并具有致病能力,尤其是致癌能力。尽管SEs能调节细胞识别基因,但SEs如何发挥调节作用仍需进一步探索。NGS技术能更详细地绘制基因组图谱。CHIP-seq数据和生物信息学算法用于识别基因组的接近性,并将SEs分配给目标基因。然而,对于SEs的内在结构及其与靶基因在三维空间的相互作用仍需进一步研究,因此需要一种涉及5C和功能筛选的综合方法。此外,Hi-C、ATAC-seq、Hi-CHIP、CUT&Tag、CRISPR基因组编辑工具和单细胞测序等新技术,也被用于揭示SEs调控转录和致癌的分子机制。从治疗的角度看,JQ1靶向抑制SEs活性促进了第一代和第二代BETis的发展。BETis的研发使靶向单个SEs组分的小分子抑制剂在临床应用上显示出巨大的前景。然而,在许多临床前模型中已发现BETis和THZ195的单剂治疗存在耐药性 (90,91)。因此,阐明单个SEs组分如何调节SEs功能以及如何更好地利用SEs进行靶向治疗至关重要。

作者

贾群英1, 谭媛1

 1湖南肿瘤靶基因与临床重点实验室,湖南省肿瘤医院,中南大学湘雅医学院附属肿瘤医院,长沙410013,中国。

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