超級增強子在腫瘤研究中的進展

發布時間：2020-03-05所屬分類：醫學論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要: 超級增強子是由多個相鄰近的普通增強子組成的、驅動調控細胞身份基因表達的一個大簇，該區域富集高密度的轉錄因子、輔因子及增強子相關表觀修飾。超級增強子所驅動的異常轉錄基因對維持腫瘤細胞特性至關重要。腫瘤細胞通過組裝自身超級增強子，顯著促

　　摘要: 超級增強子是由多個相鄰近的普通增強子組成的、驅動調控細胞身份基因表達的一個大簇，該區域富集高密度的轉錄因子、輔因子及增強子相關表觀修飾。超級增強子所驅動的異常轉錄基因對維持腫瘤細胞特性至關重要。腫瘤細胞通過組裝自身超級增強子，顯著促進多種癌基因表達，從而增強腫瘤細胞的增殖、侵襲和轉移的能力;抑制超級增強子的活性，則顯著抑制腫瘤細胞的生長和存活。本文對目前報道的腫瘤細胞中超級增強子的結構特征和功能調控，以及靶向超級增強子藥物研發現狀進行了總結，旨在為研發新的針對超級增強子為靶點的抗腫瘤藥物提供理論基礎和借鑒。

　　關鍵詞: 增強子;超級增強子;轉錄;癌癥

　　20 世紀 80 年代，研究發現 SV40 病毒的一段 DNA 序列對于家兔(Oryctolagus cuniculus)的 β-珠蛋白(β-globin，一種能夠通過鐵卟啉環可逆性結合氧的呼吸性蛋白質)的轉錄具有增強作用，因此將這一段 DNA 稱為增強子(enhancer)[1]。隨后的研究發現在哺乳動物細胞內也存在類似特性的 DNA 序列，可以遠距離、無方向性的增強基因轉錄[2~4]。近 30 年研究證明增強子具有以下特征(圖 1)[2~5]：(1) 增強子 DNA 序列處于染色體疏松的區域，與核小體中組蛋白的修飾，轉錄因子的結合有關;(2) 增強子活性與其 DNA 序列結合的組蛋白 H3 的第 4 位賴氨酸單甲基化(H3K4me1)和第 27 位賴氨酸乙酰化(H3K27ac) 修飾程度成正相關[6];(3) 增強子發揮功能需要增強子區域和啟動子的區域的直接相互作用，形成三維環狀結構(3D-loop)。增強子和啟動子的相互作用由多種蛋白介導，如 Mediator 復合體、Cohesin 等[6,7]。

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　　隨著 DNA 測序技術的發展，人類對基因有了進一步的認識，對于增強子的研究也越來越深入。2013 年，美國 Young R.A.教授(Whitehead Institute for Biomedical Research)基于當時增強子的研究首次提出超級增強子(super enhancers，SEs)這一概念。他們發現胚胎干細胞(embryonic stem cells，ESC)的主要轉錄因子結合在一些特殊的增強子上，這些特殊的增強子對于維持胚胎干細胞的干性至關重要，并將這些特殊的增強子定義為超級增強子[8]。超級增強子簡單來說就是由多個增強子組成的一個大簇，富集高密度的轉錄因子、輔因子和增強子表觀修飾。它和普通增強子在序列大小、轉錄因子的結合密度、激活轉錄的能力以及對轉錄因子抑制劑的敏感性均不同[8]。隨后的研究不僅發現超級增強子存在于多種細胞類型中，也進一步明確了超級增強子區別于普通增強子的功能特性(圖 2)[6]：(1) 超級增強子具有高密度的 H3K27ac 和 H3K4me1 修飾，以及 Mediator 復合體和 Bromodomain containing 4 蛋白(BRD4，與組蛋白乙酰化修飾位點結合)的結合;(2) 超級增強子結合的轉錄因子以及與轉錄活性相關的染色體的標記比普通增強子高很多;(3) 超級增強子調控的基因比普通增強子調控的基因表達水平高很多;(4) 組成超級增強子的單個增強子也可以像普通增強子一樣激活基因轉錄;(5) 超級增強子可以結合組織中特異的轉錄因子;(6) 與普通增強子相比，超級增強子活性對于轉錄因子的阻斷更敏感[9,10]。這些現象支持一個假說：超級增強子發揮功能需要結合到超級增強子上的轉錄因子的合作協同，具有大量轉錄因子結合的增強子對于基因轉錄的調控會對轉錄因子濃度的改變更敏感[11](圖 2)。有趣的是，富集在超級增強子上的主要的轉錄因子也受超級增強子的調控轉錄，這就意味著超級增強子調控基因轉錄存在正反饋協同作用，也就形成了細胞中的核心轉錄調控環路 (core transcription regulatory circuitry, CRC)[12,13]。正是由于超級增強子調控基因表達的特性和其敏感性，因而才能夠協調細胞在生長、發育、分化和疾病等各種狀態的過渡[9,14~16]。本文主要從超級增強子與腫瘤細胞的關系、在腫瘤細胞中的調控以及該靶點藥物在腫瘤治療中的現狀這 3 個方面闡述超級增強子在腫瘤細胞中的作用。

　　1 超級增強子與腫瘤的關系

　　2013 年，Young R.A.教授發現在多發性骨髓瘤細胞中超級增強子的區域募集了高濃度的 Mediator 復合體和 BRD4[17]，這意味著在多發性骨髓瘤細胞中超級增強子處于活化狀態。功能分析實驗表明，超級增強子調控的基因(MYC、IRF4、PRDM1、XBP1) 對于多發性骨髓瘤的發生和發展起到關鍵的促進作用[17]。后續研究發現，超級增強子在多種腫瘤中均有報道，如彌漫性大 B 細胞淋巴瘤[18]、T 細胞急性淋巴細胞白血病[19,20]、默克爾細胞癌[21]、急性髓性白血病[22]、小細胞肺癌[10]、卵巢癌[23]、上皮癌[24]、鱗狀細胞癌[25]、黑色素瘤[15]、乳腺癌[26]、食管鱗狀細胞癌[27]和結腸癌[28]等。在腫瘤細胞中超級增強子調控的關鍵癌基因在正常細胞中是不表達的，這就提示超級增強子通過調控這些基因而對腫瘤生成和腫瘤特性維持起到關鍵作用[9,29,30]。由于細胞在癌變過程中大多數的超級增強子是重新形成具有功能性的元件，因此超級增強子的活化可以作為細胞癌變的一種標志[9,29,30]。綜上所述目前研究均表明超級增強子的激活可以促使正常細胞向腫瘤細胞的惡性轉化。超級增強子不但對蛋白編碼基因具有轉錄激活作用，對非編碼基因，如 microRNA (miRNA，一種長度約 22nt 的小 RNA)的轉錄及成熟也具有調控功能。美國麻省理工學院生物系 Phillip A. S.教授研究組利用 CRISPR/Cas9 基因組編輯方法發現超級增強子不僅促進 miRNA 的轉錄，也可以通過招募 Drosha/DGCR8 蛋白復合體促進前體 miRNA (primiRNA)的成熟，以此來調控細胞種類特異性 miRNA 的生成[31]。對 18 種腫瘤細胞分析發現，在有些腫瘤細胞中超級增強子活性上調，而有些腫瘤細胞中超級增強子活性下降。進一步分析表明在細胞癌變過程中激活的超級增強子往往與促癌 miRNA 相關，而失活的超級增強子主要調控抑癌 miRNA 的生成[31]。以上研究提示，調控 miRNA 的超級增強子活性與腫瘤發生發展密切相關。因此，超級增強子聯合多個 miRNA (SE-miRNA)將有潛力成為細胞癌變的生物標志物[31]，對于腫瘤的早期診斷以及治療具有重要的臨床意義。除此之外，超級增強子還可以調控長鏈非編碼 RNA (long non-coding RNA, lncRNA)的轉錄[32]。在鱗狀細胞癌組織中發現受超級增強子調控的 lncRNA LINC01503 明顯上調。進一步研究發現， LINC01503 的表達水平與鱗狀細胞癌病人預后呈負相關：LINC01503 高表達的病人生存率低。研究表明激活的增強子或超級增強子區域也可以被轉錄產生 RNA，稱為 enhancer RNA (eRNA)，eRNA 可以協同超級增強子激活轉錄[33,34]。超級增強子發揮功能不僅依賴于和啟動子之間的 3D-loop 的形成，也依賴于超級增強子轉錄的 eRNA 的生成。因此，在臨床上可以結合 lncRNA 以及 eRNA 的水平對病人進行精準治療。

　　腫瘤的異質性很大一方面是由于一個腫瘤內的細胞通常可能來源于多個不同的細胞克隆，而這些不同克隆來源的腫瘤細胞其超級增強子的激活也存在差異，這就為區分腫瘤亞型或腫瘤細胞亞群提供了一種新的鑒定方法。例如，通過以往的方法對成神經管細胞瘤的生物化學和遺傳學分析把其分成 4 個亞型。但是通過對這 4 個亞型的增強子圖譜分析發現了一種新的亞型，這種新型的成神經管細胞瘤細胞中都具有與腫瘤異質性相關的超級增強子群[35]。更為重要的是通過分析在這類腫瘤細胞的超級增強子調控的轉錄因子可以明確細胞特異性的核心轉錄調控環路(CRC)。通過對于 CRC 分析確定了 LIM homeobox transcription factor 1 alpha (LMX1A，一種轉錄因子)在第 4 類亞型的成神經管細胞瘤是一個主要轉錄因子(master transcription factor)[36]。同樣，在其他基因異質性癌中也發現類似情況，如三陰性乳腺癌依靠超級增強子調控的特異性的基因群來維持細胞生長和增殖[26]。可見通過對于不同腫瘤細胞的增強子的圖譜分析可以獨立預測腫瘤亞型，發現之前治療的不足以及新的潛在治療靶點，為腫瘤治療提供新思路、新方向[6]。

　　綜上所述，在多種腫瘤細胞中均發現超級增強子處于異常激活狀態，其對于靶基因的調控呈多樣化：促進 mRNA 的生成、促進 miRNA 的轉錄以及成熟、促進 lncRNA 的轉錄生成以及超級增強子自身轉錄生成的 eRNA 對于其活性也起到協同作用。除此之外，通過繪制腫瘤細胞的增強子圖譜可以預測腫瘤亞型，為基因異質性腫瘤提供統一的治療平臺。

　　2 腫瘤細胞中超級增強子的調控

　　在腫瘤細胞中超級增強子的調控是如何實現的呢?早期對于小鼠胚胎干細胞發育的研究提出一個模型：組成超級增強子的每一個增強子都具有活性，而超級增強子的功能類似于一個平臺，這個平臺匯集了與發育相關的信號通路傳遞過來的信號，這些信號協同調控超級增強子活性啟動基因轉錄(圖 3)[11]。同樣，與癌基因相關的超級增強子也富集了腫瘤細胞依賴的信號通路的轉錄因子。在 Wnt 信號通路異常引起的結腸癌細胞中，相關的超級增強子區域富集了很多由 Wnt 信號通路終端的轉錄因子 4 (transcription factor 4, TCF4)，通過激活或者抑制 Wnt 信號通路，可以控制超級增強子調控的基因轉錄[11,37]。在雌激素受體(estrogen receptor, ER)陽性的乳腺癌細胞中，相關的超級增強子區域聚集了大量的 ERα;而在三陰性乳腺癌細胞中缺少類固醇激素的表達，與其相關的超級增強子區域富集了完全不同的轉錄因子[26,37]。

　　在腫瘤細胞中，信號通路從多方面對超級增強子的活性進行調控。2015 年美國西北大學 Licht J.D. 教授團隊研究發現 Ras-Erk 活性與超級增強子的活性密切相關：抑制 Ras 蛋白的活性會導致超級增強子相關的特征(如 H3K27ac)消失、活性下降、降低相關基因轉錄;激活 Ras 可以增強調控癌基因的超級增強子活性[38]。另一方面，促癌信號通路可以通過操縱轉錄機器調節超級增強子的活性。轉錄暫停是激活的 RNA 聚合酶Ⅱ(RNA polymerase Ⅱ，Pol Ⅱ) 在啟動子附近停止轉錄的一種狀態[39]。在正常的肝細胞中，Hippo 信號通路可以通過限制暫停的 Pol Ⅱ 釋放，因而抑制了增強子或超級增強子調控的基因轉錄[40]。然而，在肝癌細胞中 Hippo 信號通路的缺失導致 YAP(Yes associated protein)入核，YAP 蛋白結合到超級增強子上，招募 Mediator 復合體和細胞周期素依賴性激酶 9(Cyclin-dependent kinase 9， CDK9)，使暫停的 Pol Ⅱ進入到延伸狀態，促進癌基因轉錄[41]。因此，在肝癌中 YAP 通過激活超級增強子促進癌基因的轉錄。

　　以上研究表明超級增強子可以作為連接癌基因信號通路和維持腫瘤細胞特性的基因轉錄表達的渠道。然而進一步研究發現信號通路對于超級增強子的調控與轉錄因子在超級增強子區動態結合有關。例如，在 NOTCH1 異常導致的 T 細胞白血病(T-ALL) 細胞中，NOTCH1 在基因組上具有普遍的結合，但是只有不到 10%的基因對于 NOTCH1 信號通路的改變有應答，而這些應答基因的 NOTCH1 結合在對應的超級增強子上。如果這些位點丟失 NOTCH1 的結合就會導致超級增強子的特征消失[42]。