医学前沿
2018年03月号
医学进展

癌症治疗后的神秘基因转录本

作者:贺利军

    近年来,那些调节染色质结构和功能的因子(包括修饰组蛋白和DNA的酶)愈发引起了科学家的兴趣,其可能作为药物治疗的靶点。事实上,这类“表观遗传学药物”(epigenetic drugs)目前正在被用于治疗多种疾病,包括多种类型的癌症。尽管癌细胞基因组在总体上是低甲基化的,但肿瘤抑制基因(tumor-suppressor genes,TSGs)的CpG岛(CpG island,CGI)启动子在很多癌症中则是高度甲基化的,这一发现引起了科学家对DNA甲基化抑制剂(DNA methylation inhibitors,DNMTis)的关注,DNMTis在血液系统肿瘤和实体瘤中已经显示出临床疗效。由于DNA甲基化被认为在一定程度上是通过募集组蛋白去乙酰化酶来发挥作用的,DNMTis也被用于与组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histone deacetylase inhibitors,HDACis)的联合用药,但患者的预后有好有坏。
    最近的一些研究开始怀疑DNA甲基化在沉默CGI启动子中的作用,并对TSGs用作DNA去甲基化药物的主要治疗靶点产生了怀疑。Christoph Plass、Ting Wang、Christopher Oakes及其同事在用DNMTi 5-aza- 2'-deoxycytidine和/或HDACi SB939处理肺癌细胞系后,利用基因表达加帽分析(cap analysis of gene expression,CAGE)来描述从头转录起始位点(transcription start sites,TSSs)的分布(Nat Genet 2017;49:1052-1060)。癌症睾丸抗原和病毒防御基因明显上调,正如之前DNMTi治疗所显示的那样。然而,对于所有治疗(联合治疗或单药治疗)来说,诱导主要从非标注(non-annotated)TSSs的重叠集处观察到,这被研究者称为治疗诱导的非标注TSSs(treatment-induced non-annotated TSSs,TINATs),而并非是已知基因的TSSs。此外,联合治疗对TINAT活性产生协同效应。值得注意的是,TINAT启动子在未处理的细胞中是高度甲基化的,但在DNMTi和HDACi处理后会丢失甲基化,并获得活化组蛋白标记,这表明,这些TINAT启动子的激活是DNA去甲基化的直接结果。
    表观遗传修饰药物可诱导LTRs
    研究者随后将注意力放在了这些新转录单位编码和调节的区域。很多TINATs产生了融合转录本,它们被拼接到外显子上,其中一个亚群可能编码全长或截短的蛋白质,尽管这些蛋白表达的生物学意义还并不清楚。引人注目的是,TINATs的基因图谱显示,超过80%与转座子重叠。内源性逆转录病毒(ERVs)的长末端重复序列(long terminal repeats,LTRs;在体细胞中通常被DNA甲基化所沉默)在TINATs中特别富集,这表明,在DNMTi诱导的低甲基化后,这类LTRs发生脱抑制,之前这已在DNMTi处理过的人畸胎瘤细胞中观察到。在小鼠红白血病细胞中也观察到了DNMTi联合HDACi对逆转录病毒报告基因激活的协同作用,这表明,LTRs可能对这些表观遗传学药物的联合作用比较敏感。在上述Plass等人的研究中,激活的ERV LTR的主要亚型(被称为LTR12C)属于HERV-9群,与之相关的LTRs被标注为LTR12(包括LTR12B、LTR12C、LTR12D、LTR12E和LTR12F 亚型)。值得注意的是,既往研究显示,用HDACi处理一系列人类肿瘤细胞系后能够使得LTR12元件表达上调。对古老ERVs来说,超过90%的HERV-9位点(约7000个拷贝)作为单一LTR存在于基因组中,并在进化过程中因LTRs间的重组而丢失内部逆转录病毒序列。ERV LTRs在正常细胞和癌细胞中被用作编码基因或长链非编码RNAs(long noncoding RNAs,lncRNAs)的启动子已得到充分证明。事实上,LTR12元件在很多不同的正常组织和肿瘤中都很擅长提供启动子服务,可能是因为这些LTRs(尤其是LTR12C)通常很长且有多种转录因子(包括NF-Y、SP1和GATA2)的结合位点。Plass等人在神经母细胞瘤异种移植模型小鼠中观察到,给予HDACi后,LTR12C转录增加,这表明,在体内也可诱导LTR12C。这些LTRs也富含CpG,这或许可以解释宿主通过DNA甲基化来稳健地控制这些元件。Plass等人所做的这项研究是迄今为止对表观遗传学药物处理后诱导LTR的最详细的分析,结合之前的研究发现,LTR12启动子特别易于被表观基因组中的扰动所激活。至于其他组织中表观遗传学药物能否诱导其他LTRs脱抑制,以及这类激活的后果是什么,尚需要进一步研究。
    脱抑制的LTRs的意义
    这项研究以及相关研究引出了一个非常好的问题:通过DNMTi和/或HDACi处理,转录诱导成百上千个散布的LTRs,这产生的生物学后果是什么?可能产生的一些结果如图1所示。正如最新的综述所述,LTR启动子能够产生lncRNAs或转录本,并被拼接至外显子,从而产生嵌合的RNA,编码天然的截短蛋白或嵌合蛋白,或全新的多肽(Mol Cell  2016;62:766-776)。在少数例子中,通常被抑制的LTRs会在一些肿瘤细胞中被激活,并促进原癌基因或lncRNAs的表达,从而引起肿瘤。类似的现象也可发生在药物诱导的LTR脱抑制中。事实上,Plass等人报道,LTR12C启动的lncRNA SChLAP1,在前列腺癌中具有致癌作用,其在DNMTi和HDACi处理后表达。另一方面,转录激活的LTRs所引起的新多肽的易位表达能够导致免疫原性抗原的产生,后者能够被细胞毒性T细胞所识别,或许可能增强免疫疗法的效果。另一个有趣的可能性是,由逆转录病毒转录本产生的双链RNAs(double-stranded RNAs,dsRNAs)触发了先天免疫应答,如通过MDA5-MAVS RNA识别途径,进而促进干扰素反应。不管怎样,Plass等人的研究揭示了表观遗传药物治疗后LTR激活的程度和潜在后果,对未来旨在描述这种治疗在癌症和其他疾病中的有效性和安全性的研究具有明确的意义。
(作者:贺利军)
参考文献:Nature Genetics 2017;49:974-975

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