ATP依赖的染色质重塑复合物与肺癌研究进展

黄礼治+荣福

【摘要】 随着表观遗传学研究的兴起，发现ATP依赖的染色质重塑复合物参与了基因转录的调控、染色质重塑、DNA的修复等多种生物学活动。目前许多研究表明，其在肺癌的发生发展过程中起了重要的作用。本综述着重讨论其在肺癌的早期诊断、治疗标靶以及预后标志物等潜在的临床应用研究进展。

【关键词】 ATP依赖的染色质重塑复合物； 肺癌； 研究进展

【Abstract】 With the development of epigenetics，it is found that ATP-dependent chromatin remodeling complex is involved in the regulation of gene transcription chromatin remodeling，DNA repair and other biological activities.At present，many studies have shown that it plays an important role in the development and progression of lung cancer.This review focuses on the potential clinical applications of its early diagnosis，therapeutic target and prognostic markers in lung cancer.

【Key words】 ATP-dependent chromatin remodeling complex； Lung cancer； Advance

First-authors address：Postgraduate Academy of Guangdong Medical University，Zhanjiang 524000，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2018.02.033

肺癌（lung cancer）是目前全世界最常見的恶性肿瘤之一，在男性中居所有恶性肿瘤之首，是癌症相关死亡的主要原因，并且其占所有相关癌症死亡的21.7%[1]。目前根据不同的分化程度和形态特征，肺癌分为小细胞肺癌（small cell lung cancer，SCLC）和非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC），其中以NSCLC为主，约占整个肺癌的85%[2]。目前在临床上肺癌的早期诊治十分不理想。当前有限的临床诊断标志物，不敏感的早期诊断技术及无特效治疗的手段，是多数晚期肺癌死亡率居高不下的主要原因。因而肺癌的诊治研究，最重要的方向依然是寻找早期有效的诊断手段及有效的治疗方法。基于此，随着表观遗传学研究的兴起发展，逐渐认识到ATP依赖的染色质重塑复合物在肺癌发生发展过程中扮演了重要的角色。该复合物不仅与肺癌的发病机制有关，而且还影响其治疗效果及预后。ATP依赖的染色质重塑复合物利用ATP水解的能量重塑核小体，并在DNA转录调控中起重要作用。越来越多的证据表明这些染色质重塑复合物与许多蛋白质直接或间接相互的作用调控了癌症的发展。本综述主要目的是总结目前ATP依赖的染色质重塑复合物在肺癌中潜在的临床应用研究进展。

1 ATP依赖的染色质重塑复合物的特点和类型

染色质紧密的超螺旋结构限制了转录因子对DNA的接近与结合，从而抑制了基因的转录过程，但基因的活化和转录需要染色质变成开放式的疏松结构，使转录因子等更易接近DNA，且该过程并不改变DNA的碱基序列，染色质这种结构的变化称为染色质重塑（chromatin remodeling）。染色质重塑目前主要有两种方式：一种是ATP依赖的染色质重塑复合物（ATP-dependent chromatin remodeling complex）：利用ATP水解获得的能量，改变组蛋白与DNA之间的相对位置[3-4]；另一种是对组蛋白进行共价修饰的组蛋白修饰酶复合物（Histone-modifying complex）：对组蛋白的尾部进行化学共价修饰包括乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化等[5]。ATP依赖的染色质重塑复合物是一种以ATP酶为催化中心的多种蛋白亚基复合体，它通过ATP水解提供能量重塑染色质结构，从而对基因转录进行调控。到目前为止，根据ATP依赖的染色质重塑复合物所含功能结构域的不同，主要分为四大类亚家族：SWI/SNF亚家族、ISWI亚家族、CHD亚家族和INO80亚家族。每一个ATP依赖的染色质重塑复合物都含有ATP酶催化亚基和另外若干个相同或不同的亚基构成。这些ATP依赖的染色质复合物在亚基的组成、各亚基的生化特性及其生物功能都有所不同，从而发挥了各自的作用。

2 ATP依赖的染色质重塑复合物与肺癌的相关性

2.1 SWI/SNF亚家族 SWI/SNF（yeast switch in mating type/sucrose non fermentation）亚家族复合物是一类ATP依赖的染色质重塑复合物，其主要参与了多种调节功能包括基因的表达、细胞的分化、DNA修复、细胞粘附以及细胞周期控制等[6]。人类SWI/SNF亚家族ATP依赖的染色质重塑复合物由11～15不同种类亚基组成，主要包括核心亚基、催化亚基及调节亚基[7]。目前发现SWI/SNF人类亚家族主要有两种染色质重塑复合物成员，一种由10亚基构成的BRG1或BRM相关因子（BRG1/hBRM-associated factors，BAF）复合物，另一种由12个亚基组成的Polybromo相关BAF（Polybromo-associated BAF，PBAF）复合物。这两种类型的复合物有着相似的亚基组成，其中BRM（Brahma）和BRG1（Brahma-related gene 1）为核心催化亚基。BRM和BRG1均为ATP酶，两者在哺乳动物中相似性高达75%，利用水解ATP释放的能量为染色质重塑复合物发挥染色质重塑作用提供了重要的动力[3]，但两者在形成复合物时具有互诉性，即存在两类SWI/SNF亚家族复合物，BRM型或BRG1型。Reisman 等[8]通过蛋白免疫印迹法（Western Blot，WB）显示ATP酶亚基BRG1和BRM在约30%的人类NSCLC细胞系丧失，且在原发性肺癌患者中发现约有10%的肿瘤伴随着BRG1和BRM表达的丧失，进一步观察发现BRG1/BRM的丧失，肺癌患者生存率显著减低，表明了BRG1和BRM作为肿瘤抑制蛋白，并且其突变失活在NSCLC发展中起重要作用。Yoshimoto等[9]研究证明SWI/SNF亚家族复合物其中某些亚基的丢失可能与NSCLC肿瘤细胞去分化相关。迄今为止，研究发现目前与肺癌有关的SWI/SNF亚家族复合物亚基包括有BRG1（SMARCA4）、BRM（SMARCA2）、BAF250A（ARID1A）、BAF200（ARID2）、BAF57（SMARCE1）。endprint

2.1.1 BRG1（SMARCA4） 人类BRG1基因定位于染色体19p上，BRG1基因组共由35个外显子和34个内含子构成，编码的蛋白质相对分子量为205 kD。目前众多研究表明BRG1参与了多种恶性肿瘤的发生发展。Rodriguez-Nieto等[10]通过超深度焦磷酸测序技术检测肺癌细胞中整个SMARCA4编码区的突变，发现BRG1在原发性肺癌中的突变失活，是促成肺癌的发展重要原因之一。Zhou等[11]为了探索BRG1肿瘤抑制因子在肿瘤细胞增殖及转移中的作用，通过使用MTT法检测BRG1对肺癌细胞增殖的影响，以及Transwell试验和WB法检测分析BRG1对侵袭和上皮-间质转化（EMT）的影响，且使用染色质免疫沉淀（ChIP）检测分析BRG1与miR-148b启动子区的关系。该实验发现BRG1通过上调miR-148b的表达，导致EMT的抑制和WNT/β-catenin 信号通路的失活，从而抑制肺癌细胞的增殖和转移，这突出了肺癌的潜在治疗的可能性。Tagal等[12]通过小干扰RNA抑制极光激酶（AURKA）在BRG1缺乏型肺癌细胞的表达，诱导了癌细胞的凋亡和死亡，因此开发AURKA抑制剂治疗BRG1突变失活型的NSCLC成为了可能。Fillmore等[13]实验发现拓扑异构酶Ⅱ（TopoⅡ）抑制剂通过抑制组蛋白甲基转移酶zeste基因增强子同源物2（Enhancer of zeste homolog 2，EZH2）影响了体外BRG1突变型NSCLC细胞的生长，证明了BRG1的突变是预测TopoⅡ抑制剂对EZH2抑制作用的敏感性的生物標志物。这有望成为NSCLC精准个体化治疗的筛选检测标志物之一。Bell等[14]通过研究发现BRG1的突变可以预测对NSCLC基于铂的化疗的敏感性。因此Herpel等[15]研究提出在肺癌手术后应常规性筛选出BRG1缺陷的NSCLC的患者，以预测这类NSCLC对铂类化疗的敏感性。这些研究可以为肺癌患者选择铂类化疗提供了依据，从而实现精准的个体化治疗。研究还发现BRG1可以作为预测NSCLC预后，BRG1表达低预示着肺癌患者预后不良[8，14，16]。

2.1.2 BRM（SMARCA2） BRM是SWI/SNF亚家族染色质重塑复合物的关键ATP酶催化亚基，能够通过调节染色质的结构来影响基因的表达，其失活发生在10%～20%的实体性肿瘤中，其中包括肺癌、前列腺癌、胃癌等。Liu等[6]发现肺癌细胞系和人肺肿瘤标本中BRM蛋白的表达明显减少。Hoffman等[17]鉴定了BRM 对于丧失BRG1的肿瘤细胞的生长至关重要，在BRG1缺陷的癌细胞中，BRM的减少导致癌细胞生长周期停滞并诱导其衰老，以及增加组蛋白H3赖氨酸9三甲基化（H3 lysine9 trimethylation，H3K9me3）的表达水平，表明BRG1突变体的肿瘤对体内BRM的选择性依赖。因此BRM可以作为BRG1突变型肿瘤有效的治疗靶点之一。Oike等[18]通过体外细胞实验干扰BRM的表达导致其含量降低，有效地抑制了BRG1缺陷型肺癌细胞的生长。与此同时在体内通过RNAi降低BRM的表达，抑制了BRG1缺陷型肿瘤异种移植物的生长。上述实验研究提供了开发利用BRM-ATP酶抑制剂作为治疗BRG1缺陷型癌症的思路，包括BRG1缺陷型的NSCLC。

2.1.3 ARID1A ARID1A蛋白（AT-rich interacting domain containing protein 1A），是SWI/SNF亚家族复合物构成的非催化亚基之一，又称BAF250A亚基，此外它还是ARID家族的成员之一，可以调控染色质重塑复合物的靶向性和ATPase活性。人类ARID1A基因定位于染色体1p35.3[19]，这是一个在癌症中频繁缺失的位点，编码一个由2285个氨基酸残基构成，分子量约240 kDa的蛋白。Huang等[20]通过筛选致瘤性cDNA序列方法，发现一种纯合子ARID1A基因组缺失的肺腺癌细胞系，这些研究显示了ARID1A是肿瘤抑制基因。Zhang等[21]发现与正常支气管上皮相比，NSCLC组织中ARID1A表达降低，其降低与淋巴结转移，肿瘤分期和差异分化显著相关。肺癌细胞系的ARID1A表达低于正常支气管上皮细胞HBE细胞系，且通过小干扰RNA（siRNA）抑制H460和H1299细胞系中ARID1A的表达后，促进了细胞系增殖、集落形成能力和抑制紫杉醇诱导的细胞凋亡。更加进一步揭示了ARID1A可能是NSCLC中重要的肿瘤抑制因子。

2.1.4 ARID2 ARID2是近年来新发现的一种抑癌基因，定位于第12对染色体的长臂，包含21个外显子。ARID2蛋白（AT-rich interacting domain containing protein 2）又名BAF200亚基，是构成SWI/SNF复合物的非催化亚基之一。Manceau等[22]使用全基因组测序和随后的靶向基因测序方法，发现在5%的NSCLC中ARID2的功能突变丧失，从而构成在NSCLC中继TP53、KRAS、EGFR、CDKN2A和STK11之后最常见突变的基因之一。这将有望成为诊断和治疗NCSCLC潜在靶点之一。

2.1.5 SMARCE1 SMARCE1蛋白又名PBAF57亚基，是组成SWI/SNF亚家族ATP依赖染色质重塑复合物的非催化亚基之一。Papadakis等[23]发现SMARCE1结合表皮生长因子受体（EGFR）基因的调控区域，来抑制EGFR部分转录。因此SMARCE1缺失诱导了EGFR过表达，并赋予了NSCLC中的MET抑制剂和ALK抑制剂的抗性。通过添加EGFR抑制剂吉非替尼，恢复SMARCE1低表达型的NSCLC对MET和ALK抑制剂的敏感性。这表明了SMARCE1与EGFR致癌信号传递相关，且SMARCE1缺陷型肺癌有可能成为靶向治疗方案之一。endprint

2.2 ISWI亞家族 ISWI（imitation switch）亚家族ATP依赖的染色质重塑复合物一般包含2～4个亚基组成，包括具有催化功能的Snf2H或Snf2L亚基组成。目前发现其家族复合物成员有由Snf2H催化亚基参与构成的ACF、CHRAC、NoRC、RSF、WICH及由Snf2L催化亚基参与构成的NURF复合物。ISWI参与了细胞核内包括基因表达调控、DNA复制及染色质重塑等众多生物学过程。目前有研究表明ISWI亚家族介导了肺癌的发展。

重塑因子-1（Rsf-1）是位于人类染色体11q13.5区域的RSF基因的表达产物。Rsf-1是ISWI亚家族ATP依赖的染色质重塑复合物成员RSF组成的其中一个亚基，其作用通过改变核小体空间的相对位置来影响DNA的转录情况。Rsf-1的高表达见于多种肿瘤，其表达情况总是与肿瘤大小、分期、耐药以及患者的预后等情况密切相关。Zhang等[24]发现Rsf-1在肺癌中过表达的患者生存率低，且通过敲低Rsf-1在H1299和H460系细胞的表达后，抑制了这些细胞迁移和侵袭，以及下调了NF-κB信号通路的基质金属蛋白酶-2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）表达水平。因此提出Rsf-1通过NF-κB信号通路的MMP2途径促进肿瘤细胞的侵袭。Li等[25]发现Rsf-1也在NSCLC组织中表达上调，进一步实验表明在H1299和H460细胞系中利用siRNA干扰Rsf-1的表达，发现可以减少肿瘤细胞集落形成，抑制细胞周期进程并导致肿瘤细胞出现凋亡，进一步分析显示这些细胞周期蛋白D1的表达和磷酸化的细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）水平都明显减少。表明了Rsf-1在NSCLC中呈过表达状态，并通过细胞周期蛋白D1和ERK促进肿瘤的细胞生长，这使得Rsf-1有望成为肺癌的候选治疗靶标之一。

2.3 CHD亚家族 目前发现CHD（chromo-helicase/ATPase-DNA binding）亚家族共有9个成员，包括CHD1、CHD2、CHD3、CHD4、CHD5、CHD6、CHD7、CHD8和CHD9蛋白。目前有研究发现CHD亚家族基因的突变或表达异常与人类的某些疾病相关，特别是在肿瘤方面。

染色质解旋酶DNA结合蛋白5（CHD5），由1 954个氨基酸组成的约223 kD，编码该蛋白的基因定位于人类染色体1p36，基因全长78 218 bp，内含42个外显子。目前大量研究表明，CHD5基因被鉴定为肿瘤抑制基因，该基因启动子甲基化或突变常与多种肿瘤的发生发展相关。为了研究CHD5在肺癌中的表观遗传修饰和肿瘤抑制作用，Zhao等[26]用实时荧光定量聚合酶链式反应（Quantitative Real-time PCR，qPCR）及WB方法通过分别了检测肺癌细胞、肺癌组织及相应非癌性组织CHD5的mRNA和蛋白质表达情况，发现癌性细胞及其组织，CHD5的表达范围呈现从低到缺失的现象，并在启动子区域发现高甲基化。在A549和H1299两种细胞系使用去甲基化试剂恢复CHD5的表达后，肿瘤细胞集落生成和生长受到抑制，该研究结果表明CHD5可能在肺癌中作为抑癌基因通过表观遗传机制控制肿瘤的发展。而Baykara等[27]通过qRT-PCR分析59个肺癌和相应的非癌性肺组织样本中CHD5基因的表达水平等实验，结果也表明CHD5作为NSCLC中的肿瘤抑制基因之一。

2.4 INO80亚家族 目前发现INO80亚家族成员有INO80、SRCAP、TRRAP/Tip600四类ATP依赖的染色质重塑复合物，其中INO80复合物有研究表明与肺癌具有相关性，其INO80ATP酶亚基是核心组分具有催化功能。INO80复合物既能直接结合DNA也能结合核小体，并且在体外能够移动单个核小体，从而参与了DNA的转录调控。Zhang等[28]发现INO80复合物中的催化ATP酶在NSCLC细胞中与正常肺上皮细胞相比高度表达，并且其表达与肺癌患者的预后呈负相关。这显示了INO80染色质重塑复合物起促进NSCLC中致癌转录和肿瘤生长的作用。通过沉默肺癌细胞中INO80，发现这可以抑制肿瘤细胞在体外生长及小鼠异种移植物中的肿瘤形成，其机制有可能INO80通过占据肺癌相关基因附近的增强子区域，促进了癌基因及下游基因的表达。该研究揭示了靶向抑制INO80染色质重塑复合物有可能成为治疗肺癌潜在的方法之一。

3 展望

尽管许多研究人员仍不断努力致力于肺癌发病机制的研究，期望寻找到其早期有效的诊治方法，然而更多潜在的机制仍未被完全阐明。目前其他未被探究的ATP依赖的染色质重塑复合物与肺癌的相关性，复合物之间有无相互作用共同对肺癌发生发展的影响，其与目前证实的原癌基因激活或抑癌基因失活的关系，其致癌性机制通过哪些信号通路途径起作用，其突变在肺癌引起的致癌性占比仍未有大规模统计数据，上述课题仍需进一步深入研究探索。目前随着表观遗传学的兴起，将更加深入的揭示ATP依赖的染色质重塑复合物对肺癌发生发展的机制。这为ATP依赖的染色质重塑复合物能否成为肺癌早期诊断的临床标志物、有效治疗的分子靶标、预后指标以及肺癌患者个体化精准治疗提供新的理论基础和研究方向。

参考文献

[1] Chen W，Zheng R，Baade P D，et al.Cancer statistics in China，2015[J].Ca A Cancer Journal for Clinicians，2016，66（2）：115-132.

[2] Sève P，Reiman T，Dumontet C.The role of betaIII tubulin in predicting chemoresistance in non-small cell lung cancer[J].Lung Cancer，2010，67（67）：136-143.endprint

[3] Racki L R，Narlikar G J.ATP-dependent chromatin remodeling enzymes：two heads are not better，just different[J].Current Opinion in Genetics & Development，2008，18（2）：137-144.

[4] Wang G G，Allis C D，Chi P.Chromatin remodeling and cancer，PartⅠ：Covalent histone modifications[J].Trends in Molecular Medicine，2007，13（9）：363-372.

[5] Gangaraju V K，Bartholomew B.Mechanisms of ATP Dependent Chromatin Remodeling[J].Mutation Research/fundamental & Molecular Mechanisms of Mutagenesis，2007，618（1-2）：3.

[6] Liu G，Gramling S，Munoz D，et al.Two novel BRM insertion promoter sequence variants are associated with loss of BRM expression and lung cancer risk[J].Oncogene，2011，30（29）：3295-3304.

[7] Wu J N，Roberts C W M.ARID1A Mutations in Cancer： Another Epigenetic Tumor Suppressor[J].Cancer Discovery，2013，3（1）：35-43.

[8] Reisman D N，Sciarrotta J，Wang W，et al.Loss of BRG1/BRM in human lung cancer cell lines and primary lung cancers：correlation with poor prognosis[J].Cancer Research，2003，63（3）：560-566.

[9] Yoshimoto T，Matsubara D，Nakano T，et al.Frequent loss of the expression of multiple subunits of the SWI/SNF complex in large cell carcinoma and pleomorphic carcinoma of the lung[J].Pathology International，2015，65（11）：595.

[10] Rodriguez-Nieto S，Canada A，Pros E，et al.Massive parallel DNA pyrosequencing analysis of the tumor suppressor BRG1/SMARCA4 in lung primary tumors[J].Hum Mutat，2011，32（2）：E1999-E2017.

[11] Zhou Z，Su Y，Xianen F.Restoration of BRG1 inhibits proliferation and metastasis of lung cancer by regulating tumor suppressor miR-148b[J].Oncotargets & Therapy，2015，8：3603-3612.

[12] Tagal V，Wei S，Zhang W，et al.SMARCA4-inactivating mutations increase sensitivity to Aurora kinase A inhibitor

VX-680 in non-small cell lung cancers[J].Nature Communications，2017，8：14098.

[13] Fillmore C M，Xu C，Desai P T，et al.EZH2 inhibition sensitizes BRG1 and EGFR mutant lung tumours to TopoⅡ inhibitors[J].Nature，2015，520（7546）：239.

[14] Bell E H，Chakraborty A R，Mo X，et al.SMARCA4/BRG1 is a novel prognostic biomarker predictive of cisplatin-based chemotherapy outcomes in resected non-small cell lung cancer[J].Clinical Cancer Research An Official Journal of the American Association for Cancer Research，2015，22（10）：2396.

[15] Herpel E，Rieker R J，Dienemann H，et al.SMARCA4 and SMARCA2 deficiency in non-small cell lung cancer：immunohistochemical survey of 316 consecutive specimens[J].Annals of Diagnostic Pathology，2017，26：47-51.endprint

[16] Fukuoka J，Fujii T，Shih J H，et al.Chromatin remodeling factors and BRM/BRG1 expression as prognostic indicators in non-small cell lung cancer[J].Clin Cancer Res，2004，10（13）：4314-4324.

[17] Hoffman G R，Rahal R，Buxton F，et al.Functional epigenetics approach identifies BRM/SMARCA2 as a critical synthetic lethal target in BRG1-deficient cancers[J].Proc Natl Acad Sci USA，2014，111（8）：3128-3133.

[18] Oike T，Ogiwara H，Tominaga Y，et al.A synthetic lethality-based strategy to treat cancers harboring a genetic deficiency in the chromatin remodeling factor BRG1[J].Cancer Res，2013，73（17）：5508-5518.

[19] Kozmik Z，Machon O，Kralova J，et al.Characterization of mammalian orthologues of the Drosophila osa gene：cDNA cloning，expression，chromosomal localization，and direct physical interaction with Brahma chromatin-remodeling complex[J].Genomics，2001，73（2）：140-148.

[20] Huang J，Zhao Y L，Li Y，et al.Genomic and functional evidence for an ARID1A tumor suppressor role[J].Genes Chromosomes Cancer，2007，46（8）：745-750.

[21] Zhang Y，Xu X，Zhang M，et al.ARID1A is downregulated in non-small cell lung cancer and regulates cell proliferation and apoptosis[J].Tumour Biol，2014，35（6）：5701-5707.

[22] Manceau G，Letouze E，Guichard C，et al.Recurrent inactivating mutations of ARID2 in non-small cell lung carcinoma[J].Int J Cancer，2013，132（9）：2217-2221.

[23] Papadakis A I，Sun C，Knijnenburg T A，et al.SMARCE1 suppresses EGFR expression and controls responses to MET and ALK inhibitors in lung cancer[J].Cell Res，2015，25（4）：445-458.

[24] Zhang X，Fu L，Xue D，et al.Overexpression of Rsf-1 correlates with poor survival and promotes invasion in non-small cell lung cancer[J].Virchows Arch，2017，470（5）：553-560.

[25] Li Q，Dong Q，Wang E.Rsf-1 is overexpressed in non-small cell lung cancers and regulates cyclinD1 expression and ERK activity[J].Biochem Biophys Res Commun，2012，420（1）：6-10.

[26] Zhao R，Yan Q，Lv J，et al.CHD5，a tumor suppressor that is epigenetically silenced in lung cancer[J].Lung Cancer，2012，76（3）：324-331.

[27] Baykara O，Tansarikaya M，Bulut P，et al.CHD5 is a potential tumor suppressor in non small cell lung cancer（NSCLC）[J].Gene，2017，618：65-68.

[28] Zhang S，Zhou B，Wang L，et al.INO80 is required for oncogenic transcription and tumor growth in non-small cell lung cancer[J].Oncogene，2017，36（10）：1430-1439.

（收稿日期：2017-09-26） （本文編辑：程旭然）endprint