超級增強子:腫瘤治療的新靶點

彭靈智, 祝成樓,劉天祥

(1.甘肅省人民醫院 腫瘤外科,甘肅 蘭州 730030;2.蘭州大學 第一臨床醫學院,甘肅 蘭州 730030)

增強子是一類不依賴于其與靶基因的距離和方向而激活靶基因的一段DNA調控序列。增強子常與染色質形成長染色質,在生長發育過程中控制時間特異性和組織特異性基因的表達,其失調將導致多種疾病的發生[1]。人類所有細胞的基因組都是一樣的,但細胞的形態和功能卻不同,主要是由增強子決定的。2013年Young等[2]首次提出超級增強子(super-enhancers,SEs)模型,指出SEs為長度8～20 kb具有增強轉錄活性的超長順式作用元件,該元件可以高密度結合主轉錄因子及其輔因子,主要功能是負責調控決定細胞特性的基因表達,包括決定腫瘤細胞特性的致癌基因。SEs是由多個增強子組成的一個大簇,位于基因組上的DNA酶Ⅰ超敏感位點,具有和增強子一樣的表觀標記(H3K4me1、H3K27me3和H3K27ac分別代表SEs的待發、準備和活化狀態)[3-4]。p300、轉錄輔基、活蛋白、組蛋白修飾H3K4me1、H3K27ac以及輔因子轉錄中介復合體亞基1的ChIP-Seq中所獲得的長片段峰值均可作為鑒定SEs的標記[5]。與普通增強子相比,SEs的長度更長,可與更多的轉錄因子(transcription factors, TFs)結合;具有高密度的H3K27ac和H3K4me1修飾,能與中介復合體亞基1和溴結構域蛋白4(bromodomain-containing protein 4,BRD4)高密集結合;受外界信號干擾后反應更加靈敏;SEs相關基因表達水平顯著高于普通增強子調控基因[1,6]。正是由于SEs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[7]。隨著SEs的發現及對其功能的挖掘,越來越多的證據證實SEs對靶基因具有強大的轉錄調控作用,是普通增強子的近4倍[2]。其在腫瘤發生發展中的調控作用及其靶向治療價值也逐步被發現。本文主要綜述了以SEs為靶點的腫瘤治療新方法。

1 SEs在腫瘤中的作用

致癌性SEs首先在多發性骨髓瘤細胞中被發現[8]。事實上,在非小細胞肺癌、髓母細胞瘤、乳腺癌、食管癌、胃癌、結腸癌、彌漫性大B細胞淋巴瘤、T細胞急性淋巴細胞白血病、默克爾細胞癌、急性髓性白血病和黑色素瘤等多種惡性腫瘤中,發現SEs可通過調控具有致癌特性和決定細胞特性基因的轉錄水平來調控癌細胞的增殖、遷移、侵襲等生物學行為[6]。SEs也可整合Wnt、Lif、TGF-β、Hippo、Ras等多種致癌信號通路的終末TFs的一個或多個結合位點,來有效調控基因的表達[9-11]。目前研究已經證實致癌性SEs的激活可以促使正常細胞向腫瘤細胞的惡性轉化[12]。因此,致癌性SEs的活化可以作為細胞癌變的一種標志。

許多腫瘤細胞關鍵致癌基因都是由SEs驅動的[8]。另外,在腫瘤發生過程中,腫瘤細胞自身可以在癌基因附近區域構建SEs,用以調控癌基因的表達[13]。受SEs調控的基因被稱為SEs相關基因。SEs相關基因的異常表達在腫瘤發生發展過程中發揮重要作用[14]。其中SE-LncRNAs受到了更多的關注。在食管鱗癌中轉錄因子TP63和SOX2可以通過直接與SEs和啟動子結合來激活LncRNA CCAT1的轉錄,并通過激活下游MEK/ERK 1/2和PI3K/AKT信號通路促進食管癌的發生發展[15]。SEs促進LINC01503在食管鱗狀細胞癌中高表達,LINC01503的高表達促進食管鱗狀細胞癌增殖、遷移、侵襲,并與不良預后有關[16]。在卵巢癌中,SE-LncRNA UCA1直接與AMOT相互作用,并激活YAP及其靶基因,促進卵巢癌細胞的生長,并與卵巢癌患者不良預后有關[17]。研究表明激活的增強子或SEs區域也可以被轉錄產生RNA,稱為增強子RNA,其可以協同SEs激活轉錄[18-19]。

2 SEs在腫瘤治療中的應用

在腫瘤細胞中癌基因的轉錄被激活,抑制癌基因的轉錄是治療腫瘤的一個潛在靶點。Yang等[20]研究發現,在三陰性乳腺癌的細胞中存在大量“腫瘤特異性轉錄本”,并成功繪制出世界首個三陰性乳腺癌“腫瘤特異性轉錄本”圖譜。進一步發現,SEs能夠激活“腫瘤特異性轉錄本”MARCO-TST在三陰性乳腺癌中的表達,首次證實BET抑制劑可作為三陰性乳腺癌患者的潛在治療選擇。與單個致癌基因或分子相比,腫瘤細胞特性的維持更依賴于SEs的活性。這意味著,SEs是更加理想的抗癌靶點[21]。因此,靶向抑制SEs的活性或敲除SEs片段可能成為腫瘤治療的新方法。然而,轉錄作為一個在體內普遍發生的生物學過程,不能被整體抑制,需要高度特異性抑制才能抗腫瘤治療。因此,有必要在參與SEs機制的小分子中尋找一個可能的干預靶點。

2.1以SEs為靶點的小分子抑制劑 SEs調控的轉錄依賴BRD4、Mediator復合體、包含細胞周期依賴性激酶7(cyclin-dependent kina SEs 7,CDK7)的TFⅡH復合體和包含CDK9的轉錄延伸復合體[22]。因此,SEs調控基因轉錄的關鍵節點是Mediator復合體、BRD4和關鍵的CDKs[23]。當前,以SEs為靶點的小分子抑制劑主要包括以下幾類:①BET家族蛋白抑制劑或降解劑;② CDKs抑制劑;③其他抑制劑[7],見表1。目前以SEs為靶點的腫瘤治療相關研究逐漸增加,部分小分子抑制劑已進入臨床試驗階段,見表2。SEs有望成為腫瘤治療的新靶點。

表1 在腫瘤治療中以超級增強子為靶點的小分子抑制劑

表2 在腫瘤治療中以超級增強子為靶點的小分子抑制劑臨床試驗

2.1.1BET家族蛋白抑制劑或降解劑 BET家族蛋白由4個成員組成,BRD2、BRD3、BRD4和BRDT,前3種蛋白在人類各種細胞中廣泛表達,而BRDT僅表達于男性生殖細胞中,四者之間的功能差異仍不清楚[56]。目前BRD4是BET家族蛋白中研究最為廣泛的成員,其抑制劑JQ1是最先被報道的BET家族蛋白抑制劑[57]。越來越多的研究已經探索了BET家族蛋白抑制劑或降解劑在腫瘤治療中的作用,部分抑制劑已進入臨床試驗階段,并初步顯現出滿意的抗腫瘤效果。

BRD4選擇性抑制劑JQ1可以選擇性的與BRD4的溴區結構域結合而阻止BRD4識別SEs上的乙酰化修飾位點,從而限制BRD4與SEs的H3K27ac位點結合,影響SEs與啟動子的相互作用,抑制癌基因的轉錄[58]。文獻報道JQ1在多種腫瘤中可通過抑制SEs活性而發揮抗腫瘤作用。在多發性骨髓瘤細胞中,JQ1選擇性的抑制BRD4與SEs結合,導致轉錄延長缺陷,優先抑制SEs相關癌基因MYC的表達,并抑制了腫瘤生長[8]。在結直腸癌中,SEs與MAPK信號通路相關,在維莫非尼(BRAF抑制劑)中加入JQ1,可以通過抑制SEs的活性而抑制由維莫非尼引發的MAPK信號通路的反饋激活,明顯改善了維莫非尼的抗腫瘤作用[59]。JQ1也可以通過抑制TGFBR2的SEs,下調TGFBR2的表達,從而阻斷TGF-β信號通路,抑制胰腺癌細胞生長[60]。BRD4選擇性抑制劑I-BET151可以通過下調SEs相關基因,如CEBPA, IRF8, IRF1和ETV6的表達,而發揮抗急性髓性白血病(AML)作用[27]。BET家族蛋白降級劑BETd-246可以特異地降解BRD家族蛋白,從而阻止BRD家族蛋白識別SEs的乙酰化位點,影響SEs活性,抑制轉錄,從而抑制了三陰性乳腺癌的發展[30]。

2.1.2CDKs抑制劑 CDKs是一組絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,其與周期蛋白cyclin協同作用,在調控細胞周期和轉錄過程中發揮著重要作用,CDKs的表達和功能失調是人類腫瘤形成最常見的改變之一[61]。有報道稱,CDK7不僅影響細胞周期,還與SEs驅動的致癌基因的調控相關[62]。近期的研究表明,CDK7抑制劑可以通過抑制SEs驅動的致癌基因轉錄選擇性殺死癌細胞。這一過程可能由于CDK7抑制劑可以降低作用于SEs區域的致癌性TFs的水平,導致多種癌基因轉錄抑制,從而抑制腫瘤細胞的生長和增殖。因此,CDK7已成為熱門抗癌靶點[63]。CDK7抑制劑THZ1可以和CDK7的第312位半胱氨酸共價結合,抑制CDK7的激酶活性,從而抑制CDK7 對于Pol Ⅱ CTD的第5位絲氨酸磷酸化,抑制轉錄起始,進一步阻止Pol Ⅱ在啟動子近端暫停。SEs主要調控暫停的Pol Ⅱ釋放,THZ1處理之后在啟動子近端的Pol Ⅱ減少,也減少在增強子處的Pol Ⅱ結合,最終抑制轉錄[5]。THZ1可通過抑制SEs驅動的基因,如: RUNX1, TAL1和GATA3的轉錄而抑制T細胞淋巴瘤的生長[44]。有研究表明,CDK7共價抑制劑YKL-5-124與BRD4抑制劑JQ1聯合使用治療神經母細胞瘤可以提高JQ1的治療效果并延緩耐藥的產生,提示聯合用藥可能是一個研究方向[64]。除此之外,CDK12/13抑制劑THZ531可以特異性抑制CDK12/13,有效抑制SEs介導的基因表達,從而發揮抗急性T細胞淋巴瘤的作用[49]。CDK4/6抑制劑 Lee011也被證實可選擇性抑制CDK4,下調cyclin D1相關的SEs活性,有效的促進尤因肉瘤細胞的凋亡[52]。

2.1.3其他抑制劑 GZ17-6.02可以影響基因的乙酰化,降低主轉錄因子、超音速刺猬蛋白通路中的蛋白質和干細胞標志物的轉錄[53]。在胰腺導管腺癌中,GZ17-6.02可以降低主轉錄因子Oct-4在SEs區域的占有率,降低SEs的活性,從而抑制了胰腺導管腺癌細胞的生長[53]。GZ17-6.02也可以通過下調超增強子基因的表達,抑制惡性膠質細胞瘤的生長[54]。此外,Syros公司利用其基因控制平臺,找到了具有RARA或IRF8基因SEs的急性髓細胞白血病病人和骨髓增生異常綜合征亞群患者,并且發現了可以識別這些SEs的生物標記物,這些SEs被認為驅動了RARA或IRF8基因的過度表達,通過鎖定不成熟、未分化及增殖階段的細胞,從而導致腫瘤的發生。視黃酸受體-α激動劑SY-1425可以促進RARA或IRF8基因高表達急性髓細胞白血病細胞的分化,從而抑制腫瘤生長[55]。

3 展望

SEs是目前臨床和基礎研究中備受爭議的話題,其功能和潛在的臨床治療前景備受關注。目前已有大量BET家族蛋白抑制劑或降解劑及CDKs抑制劑被納入靶向SEs的臨床研究中,其在抗腫瘤治療中的價值逐步被發掘。然而值得注意的是,靶向SEs治療癌癥可能會產生顯著的不良反應,因為在阻斷SEs時,一些正常基因也會被抑制。例如,研究表明THZ1可以抑制肌源性分化,這表明THZ1在治療過程中可能對肌肉功能產生不良反應[65]。此外,通過CRISPR/Cas9基因編輯系統干擾致癌性SEs的生成,可以阻斷SEs,調控SEs驅動的致癌基因,避免腫瘤的發生。也可以通過CRISPR/Cas9基因編輯系統敲除致癌性SEs,從而發揮抗腫瘤作用。然而由于CRISPR/Cas9基因編輯系統的脫靶效應,任何非目標位點的基因編輯都與臨床風險相關[63]。因此,迫切需要更多的研究來更好地理解其機制。