ARID1A在肿瘤中的作用及治疗方案的研究进展

马丽英，曹国珍，林文楚

(1. 中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心，安徽 合肥 230031; 2. 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026)

随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，健康成为社会关注的重点。国家统计局数据显示癌症已经成为城乡人口疾病死亡的主要死因，癌症导致的医疗负担是全球平均水平的两倍。由于癌症的治疗费用不断增大，给不同层次的家庭带来了较重的经济负担，因此肿瘤的诊断与治疗是我们面临的一个重大挑战[1]。

染色质组织结构紊乱是癌症的一个重要特征。染色质结构除了受DNA修饰外，还受共价修饰组蛋白尾部复合物和ATP依赖的核小体重塑复合物两类蛋白复合物的调节。这两种蛋白复合物可以相互协作来动态调节染色质的结构，在DNA修复、扩增和基因转录等方面发挥着重要的作用。近年来，研究ATP依赖染色质复合物在染色质重塑和结构变化中的作用机制，以及ATP依赖染色质复合物与肿瘤发生发展的关联成为一个新的研究热点。SWI/SNF、INO80、ISWI、NuRD/Mi2/CHD复合体和SWR1是ATP依赖性染色质复合物[2]。肿瘤全基因组高通量测序数据显示，编码SWI/SNF复合物的多个亚基的基因在卵巢癌、胃癌、肝细胞癌、膀胱癌、肾癌、髓母细胞瘤及乳腺癌等肿瘤中存在高频突变。

AT丰富结合域1A基因(AT-rich interactive-domain 1A，ARID1A)是SWI/SNF染色质重塑复合物家族中的重要成员，作为染色质重塑复合物中非催化亚基，与DNA非特异性结合。根据肿瘤基因组测序结果看到ARID1A在多种肿瘤中存在高频的基因突变。研究发现，ARID1A可以通过调节细胞周期、细胞增殖、DNA损伤修复、线粒体氧化应激(ROS)等细胞中的多个生命活动发挥肿瘤抑癌作用。本文主要针对ARID1A的基本结构、生物学功能，以及其在各类肿瘤中的突变情况，总结和提出一些新的潜在的生物学功能，希望ARID1A的靶向治疗联合其他临床信息为恶性肿瘤治疗提供新思路。

1 ARID1A的基本结构特征

1.1 ARID1A的结构ARID1A是染色体重塑复合物SWI/SNF家族BAF亚基中的非催化亚基，又名BAF250A，SMARCF1或p270。ARID1A基因位于1 号染色体lp35. 3，由2 285个氨基酸组成，翻译出分子量为240 ku的蛋白。目前研究显示，ARID1A在小肠、大肠、脾脏和胸腺等多种组织中大量表达，其细胞定位位于细胞核[3]。ARID1A 蛋白含有两个保守结构域，N 段ARID(The AT-Rich interactive-domain) 结构域和C 端3个LXXLL 基序(Fig 1)。结构分析以及体外实验显示，ARID可以以序列非特异性的方式与富含AT的DNA序列结合发挥作用。ARID1A的同源基因ARID1B则定位于6号染色体lp25.3。

Fig 1 Structure of ARID1A (cosmic3d_screenshot_ARID1A_02042020-101842)

1.2 SWI/SNF染色质重塑复合物SWI/SNF是由高度相关的多亚基组成的一种染色质重塑复合物。该复合物由9-12个亚基组成，包括核心亚基、催化亚基以及调控亚基等，在体外具有ATP依赖的染色体重塑活性(Fig 2)。SWI/SNF复合物是通过ATP水解释放能量影响染色质的可及性，核小体与基因启动子、增强子等区域的结合，来实现对DNA的调控，现有研究发现该基因可能发挥促癌和抑癌的作用，对于发挥哪种生物学功能主要取决于与DNA结合的转录因子的性质。

Fig 2 SWI/SNF chromatin remodeling complex composition

2 ARID1A的生物学作用

2.1 ARID1A与细胞的干性维持胚胎干细胞的无限增殖和分化全能性的转化受到染色质组织结构变化的精确调节。有研究显示，胚胎干细胞(ES)中的ARID1A基因敲除会导致自我更新特性的丧失。在分化方面，ARID1A敲除则迫使ES细胞分化为原始内胚层，并阻止其向心肌细胞和脂肪细胞的分化[4]。同时还有研究显示，ARID1A的缺失会导致小鼠胰腺导管上皮细胞的分化受阻。当过表达ARID1A后表型被恢复，并抑制正常胰腺转化为胰腺导管腺癌[5]。

2.2 ARID1A与细胞周期调控ARID1A表达在G0-G1期最高，在S和G2-M期明显降低，与周期变化有关，在分裂旺盛的细胞中几乎完全缺失[6]。p21/WAF可与细胞周期蛋白-CDK2/CDK4 复合物结合并抑制其活性，从而促使细胞停滞于G1期。ARID1A可以直接或间接作用调节p21/WAF1 基因的表达。此外，长链非编码RNA (lncRNAs) DGCR5可与ARID1A相互作用，进而促进p21的转录。在非小细胞肺癌(NSCLC)中敲低ARID1A后，周期相关蛋白cyclinD1 和Bcl-2 的表达上调，细胞凋亡则受到抑制[7]。

2.3 ARID1A与肿瘤增殖已经发现，ARID1A 通过使PI3K / AKT信号通路蛋白的变化，EMT，细胞周期，与原癌基因p53等相互作用调控细胞的增殖。与对照组siRNA的细胞相比，转染siARID1A减少细胞死亡，促进细胞增殖，细胞周期由G0/G1转变为G2/M[8]。此外，有研究显示，ARID1A 与抗凋亡蛋白MCL-1表达在结直肠癌中呈负相关，可以得到ARID1A通过下调MCL-1抑制肿瘤生长[5]。

2.4 ARID1A与肿瘤侵袭和迁移基因表达分析显示，上皮-间充质转化(EMT)和干细胞识别通路的激活部分依赖于ARID1A失调性丢失。在胃癌中，ARID1A低表达促进局部淋巴结转移和远处转移[9]。在肝癌和乳腺癌细胞中敲低ARID1A导致细胞的侵袭和迁移能力明显增强。有研究显示，在神经母细胞瘤SK-N-SH 细胞中敲低ARID1A增加了细胞中基质金属蛋白酶-2和基质金属蛋白酶-9的表达，降低了E-钙粘蛋白(E-cadherin)表达，最终导致了神经母细胞瘤侵袭和迁移能力增强[10]。

3 ARID1A对细胞信号通路的调控

3.1 ARID1A调控PI3K信号通路近年来多项研究发现，磷脂酰肌醇3-激酶(PI3Ks)(PI3K/AKT信号)信号通路与肿瘤的发生发展有紧密的联系，其在细胞的增殖、分化、凋亡和代谢等多种细胞功能中发挥作用。研究显示，ARID1A在肿瘤中的作用可与PI3K信号通路的激活相关。最初在卵巢透明细胞癌(ovarian clear cell carcinoma，OCCC)中发现ARID1A 功能缺失与PIK3CA 突变同时存在[11]。进一步的研究指出，在实验小鼠中缺失ARID1A的同时过表达PIK3CA基因，该小鼠会形成卵巢癌，但是一旦抑制PI3K/AKT信号通路则抑制肿瘤细胞的增殖并延长小鼠的生存期。在胰腺癌临床病理检查中也发现ARID1A功能缺失的病人伴随着PI3K/AKT信号通路的激活，当使用该通路抑制剂时增强细胞凋亡，进而导致ARID1A缺陷的胰腺癌细胞的放疗敏感性明显增强[12]。ARID1A功能缺失的胃癌细胞中AKT的磷酸化水平明显高于非缺失细胞[13]。这些研究数据显示，在肿瘤中ARID1A的功能缺失与PI3KCA突变及PI3K/AKT的激活倾向同时发生，提示PI3K/AKT信号通路的小分子抑制剂可能可以作为潜在的靶向治疗药物，从而抑制ARID1A功能缺失的肿瘤。

3.2 ARID1A参与DNA损伤修复通路由于外部生化环境变化和细胞代谢产物都会导致DNA损伤，进而导致DNA复制和转录过程异常，在复制压力下，DNA损伤修复通路不被激活，则导致细胞死亡或癌变。染色体重塑复合物在DNA损伤修复中发挥重要的作用。有研究发现，ARID1A的功能丧失，如缺失或突变(插入、缺失、无义突变等)影响了DNA的损伤修复。在ARID1A缺陷的子宫内膜细胞采用小分子化合物筛选显示PARP抑制剂与辐射协同作用，ARID1A缺失细胞敏感性增加。体内实验也显示PARP抑制剂奥拉帕尼与低剂量放疗联用可明显抑制ARID1A缺陷子宫内膜细胞制备的皮下瘤[14]。Jiang等[15]研究发现，DNA损伤诱导的ATM激活导致ARID1A泛素化和降解。但是对于ARID1A如何调控DNA损伤修复的分子机制及如何维持染色体稳定性，从而发挥抑癌作用等机制还有待进一步的探讨。

4 ARID1A突变与肿瘤关系

4.1 ARID1A在肿瘤中的突变情况肿瘤全基因组测序发现ARID1A在多种肿瘤中存在大量突变，特别是在卵巢透明细胞癌(46%-57%)和子宫内膜癌(47%-60%)中最为明显 (Tab 1)。ARID1A突变导致的ARID1A亚基缺失会影响SWI/SNF复合物的功能完整性。从而影响下游靶基因的转录、DNA复制和修复[16]。

4.2 ARID1A与肿瘤抑制的机制最近的研究发现，ARID1A失活的一个主要后果是由于对增强子活性的控制缺陷。增强子活性调节具有特异性，在特定细胞类型的基因表达中起主要作用[17]。增强子功能障碍被认为是许多肿瘤类型的致癌原因。Lakshminarasimhan等[18]2017年在对哺乳动物SWI/SNF复合物的研究中发现增强子是SWI/SNF的主要基因组靶点。在OCCC中，ARID1A的缺失抑制H3K27Ac启动子甲基化，进而抑制靶基因表达。ARID1A和其他SWI/SNF亚基的失活经常影响参与细胞分化和发育的增强子活性，由此可以推论当这些程序相关的增强子活性被影响时，细胞增殖过程被影响，从而导致癌症的发生。

Tab 1 Statistics of ARID1A mutations in different tumors

ARID1A的失活也与几种经典的肿瘤抑制机制有关，包括p53调控、端粒酶活性维持，以及细胞周期/DNA损伤点调节。在不同肿瘤细胞系和异种移植物模型中研究发现ARID1A和p53共同通过转录激活抑制肿瘤的下游基因来协同预防肿瘤的发生，包括cdkn1a和smad3。Allo等[19]研究发现ARID1A和p53的突变在同一肿瘤中是互斥的，这可能反应了二者在功能上是同一条通路的。已有研究表明，上调端粒酶逆转录酶(TERT)的表达以及随后维持端粒长度在肿瘤的发生发展中起着至关重要的作用。研究发现[20]，ARID1A在调控TERT转录和端粒酶活性中的作用与其在增强子激活中的作用不同，通过负调控TERT转录维持端粒赋予肿瘤细胞生存优势。细胞周期的失调会导致DNA损伤。ARID1A介导的染色质重塑对于ATR依赖的双链断裂信号是必要的，ARID1A通过与上游DNA损伤检查点激酶ATR相互作用而被招募到双链断裂处，ARID1A的缺失会导致细胞周期异常，进而阻碍正常的DNA损伤修复。

5 “合成致死”的策略靶向治疗

近年来合成致死的策略已被引入治疗抑癌基因缺失的肿瘤，当肿瘤中特定的抑癌基因突变，直接恢复患者体内的肿瘤抑制因子来抑制肿瘤的方案是不可行的，但是靶向合成致死靶标可以起到抑制肿瘤生长的效果。合成致死的策略治疗肿瘤的一个成功的典范是PARP抑制剂合成致死杀伤BRCA1/2突变的乳腺癌细胞(Fig 3)。

Fig 3 ARID1A synthetic lethal target

5.1 ARID1A与ARID1B的互斥存在ARID1B在肿瘤中具有低突变率。在全基因组合成致死筛查中，ARID1B被鉴定为ARID1A突变癌细胞系的重要的特异性作用基因。含有ARID1B的SWI/SNNF复合物在ARID1A突变的肿瘤中保持完整。染色质的可及性的调控方面ARID1A发挥重要作用，ARID1B只有在ARID1A突变的情况下的作用才发挥作用。因此合成致死发生可能是由于ARID1A突变的肿瘤依赖于这一亚基来进一步增强其调控作用。有趣的是SWI/SNF复合物其他亚基之间也存在合成致死关系[21]。这些数据提示，在SWI/SNF亚基突变的肿瘤中抑制残留的SWI/SNF复合物活性可能是治疗SWI/SNF亚基突变的肿瘤的一种有效策略。

5.2 ARID1A突变与PI3K/AKT信号通路PI3K/AKT通路激活在多种肿瘤中发现与ARID1A突变相关。后期研究发现ARID1A突变经常与PIK3CA激活突变和/或PTEN表达缺失共存，这两者都导致PI3K/AKT通路的下游激活。Achilles项目和癌症药物敏感性数据库的筛选也显示ARID1A缺失的肿瘤中PIK3CA是位居第二的合成致死药物靶点。但是ARID1A突变与PI3K/AKT通路的共同激活具有肿瘤特异性，因此，对于PIK3CA是否可以作为ARID1A的合成致死靶标的肿瘤普适性还需要进一步的研究。

5.3 ARID1A与其它表观遗传靶点的合成致死表观遗传性染色质重塑的破坏被认为是在缺乏基因组不稳定性的肿瘤中推动肿瘤发生的主要原因之一。在OCCC中研究发现，与野生型相比，ARID1A突变导致基因组不稳定性增加。当用EZH2抑制剂处理ARID1A突变的卵巢透明细胞癌细胞时肿瘤成球能力减弱、增殖标志物ki67丢失、细胞凋亡增加[22]。因此，在临床可行性中了解清楚EZH2和SWI/SNF复合物之间的详细作用机制将为之后的肿瘤有效治疗具有重要的指导作用。

HDAC6是一种已知能使许多底物脱乙酰化的表观遗传蛋白。在ARID1A突变的卵巢透明细胞癌中敲除HDAC6导致了二者之间的合成致死作用,进一步的研究提示ARID1A突变和HDAC6抑制之间的致死关系可能与p53有关[23]。目前已有特定的HDAC6抑制剂在人类血液系统恶性肿瘤进行临床试验。这些抑制剂未来可能用于ARID1A突变癌症的治疗。

在卵巢透明细胞癌中针对所有人类激酶的筛选实验中还发现ARID1A突变与BET溴域成员BRD2抑制之间形成特定的合成致死关系[24]。研究发现，敲除BRD2或用JQ1处理可降低ARID1B的表达，BRD2在ARID1B启动子上直接转录调控AIRD1B的表达，这为BET抑制剂介导的BRD2抑制和ARID1A丢失之间的协同致死相互作用提供了一种可能的解释。

5.4 ARID1A突变与DNA损伤应答ARID1A参与非同源末端连接(NHEJ)和同源重组(HR)的DNA损伤修复。最近一项研究发现，ARID1A通过影响HR导致ARID1A缺陷的癌细胞对PARP抑制剂和ATR抑制剂敏感[25]。这些研究结果提示了一种新的靶向肿瘤细胞合成致死的方法。

5.5 ARID1A诱导的ROS的合成致死之前在模式生物酿酒酵母和秀丽线虫中就已经发现SWI/SNF复合物在抗氧化应激中是必需的。已经在OCCC，子宫内膜癌细胞系中观察到，ARID1A突变细胞系对氧化应激诱导剂伊利司莫(Elesclomol)更敏感，并且增加了ROS水平和诱导细胞凋亡[26]。有趣的是，在ARID1A野生型细胞中敲除SWI/SNF亚基SMARCA4和SNF5时也表现出对伊利司莫的敏感性。这些数据表明，ARID1A的状态及SWI/SNF复合物其他亚基的缺失与氧化应激有一定联系，关于具体的作用机制还需要更多的证据支持。

5.6 达沙替尼与ARID1A的合成致死在卵巢透明细胞癌细胞模型中使用一系列基于细胞的高通量药物筛选发现激酶抑制剂达沙替尼与卵巢透明细胞癌的关键驱动因素ARID1A突变之间存在合成致死相互作用。在体外和体内对多种人或小鼠细胞诱导ARID1A缺失均可诱导达沙替尼敏感性，表明这是一种强有力的合成致死相互作用。使用siRNA筛选和激酶图谱进一步发现ARID1A突变的卵巢透明细胞癌细胞对YES1抑制剂达沙替尼敏感[27]。

5.7 其它的合成致死策略除了在ARID1A突变背景下的合成致死靶向策略外，ARID1A的缺失可能导致细胞周期调节器的治疗缺陷。最近研究发现，ARID1A与大肠癌(CRC)细胞中的极光激酶A(AURKA)具有合成的致死性相互作用[28]。

癌症驱动基因突变是否直接影响癌症免疫表型和T细胞免疫仍然是一个悬而未决的问题。研究发现，在许多人类癌症组织和小鼠癌症模型中，生化、基因组、免疫学和功能研究表明，ARID1A调节Th1型趋化因子、T细胞肿瘤浸润和肿瘤免疫，并影响患者的生存和免疫治疗反应[29]。ARID1A缺失会影响微卫星的不稳定性，上调PD-L1的表达，参与免疫微环境的调节。基于ARID1A突变肿瘤已经发现多种靶向治疗药物，这些药物与免疫治疗联合具有潜在的协同效应，目前临床评估正在开展中，鉴于以上联合反应更加敏感，这种联合治疗可能成为一种新的合成致死治疗策略。

6 结论与展望

SWI/SNF染色体重塑复合物在调节染色体稳定性和可及性方面的作用毋庸置疑。肿瘤全基因组测序数据提示，SWI/SNF复合物在超过20%的癌症中存在突变，提示其在其他肿瘤中也可能具有潜在的作用。ARID1A与其高度同源的ARID1B亚基在该复合物中互斥存在。ARID1A具有调节细胞周期，端粒酶活性，增强子活性，癌基因以及参与DNA损伤修复等生物学功能。ARID1A在多种肿瘤中存在高频突变已通过高通量测序验证，但是其功能还存在争议。在肝癌、结肠癌、妇科肿瘤等小鼠肿瘤模型中显示ARID1A在肿瘤抑制中具有很强的作用。比如在已建立的鳞癌模型中，杂合或纯合的ARID1A失活通过降低染色质的可及性和减少与迁移、侵袭和转移相关的基因的转录来驱动肿瘤细胞更具侵袭性。但是也有与此结论相反的研究报道。例如在APC突变背景下，ARID1A可能具有支持肿瘤生长的致癌能力[30]。进一步研究ARID1A在肿瘤发生、发展以及转移的不同阶段的作用将有助于揭示ARID1A是抑癌基因还是同时具备抑癌和促癌功能。目前ARID1A已有很多基于合成致死的有效靶点已经被发现，目前有些候选药正在临床开发中。最终临床应考虑同时抑制ARID1A突变肿瘤中多个合成致死靶点的作用，以克服对单个目标合成致死产生抗性。此外，ARID1A免疫调控有关。ARID1A与肿瘤免疫微环境之间的作用方式可能为以后不同类型的肿瘤诊断和治疗开辟新方向。