超级增强子:肿瘤治疗的新靶点

彭灵智, 祝成楼,刘天祥

(1.甘肃省人民医院 肿瘤外科,甘肃 兰州 730030;2.兰州大学 第一临床医学院,甘肃 兰州 730030)

增强子是一类不依赖于其与靶基因的距离和方向而激活靶基因的一段DNA调控序列。增强子常与染色质形成长染色质,在生长发育过程中控制时间特异性和组织特异性基因的表达,其失调将导致多种疾病的发生[1]。人类所有细胞的基因组都是一样的,但细胞的形态和功能却不同,主要是由增强子决定的。2013年Young等[2]首次提出超级增强子(super-enhancers,SEs)模型,指出SEs为长度8～20 kb具有增强转录活性的超长顺式作用元件,该元件可以高密度结合主转录因子及其辅因子,主要功能是负责调控决定细胞特性的基因表达,包括决定肿瘤细胞特性的致癌基因。SEs是由多个增强子组成的一个大簇,位于基因组上的DNA酶Ⅰ超敏感位点,具有和增强子一样的表观标记(H3K4me1、H3K27me3和H3K27ac分别代表SEs的待发、准备和活化状态)[3-4]。p300、转录辅基、活蛋白、组蛋白修饰H3K4me1、H3K27ac以及辅因子转录中介复合体亚基1的ChIP-Seq中所获得的长片段峰值均可作为鉴定SEs的标记[5]。与普通增强子相比,SEs的长度更长,可与更多的转录因子(transcription factors, TFs)结合;具有高密度的H3K27ac和H3K4me1修饰,能与中介复合体亚基1和溴结构域蛋白4(bromodomain-containing protein 4,BRD4)高密集结合;受外界信号干扰后反应更加灵敏;SEs相关基因表达水平显著高于普通增强子调控基因[1,6]。正是由于SEs调控基因表达的特性和其敏感性,因而才能够协调细胞在生长、发育、分化和疾病等各种状态的过渡[7]。随着SEs的发现及对其功能的挖掘,越来越多的证据证实SEs对靶基因具有强大的转录调控作用,是普通增强子的近4倍[2]。其在肿瘤发生发展中的调控作用及其靶向治疗价值也逐步被发现。本文主要综述了以SEs为靶点的肿瘤治疗新方法。

1 SEs在肿瘤中的作用

致癌性SEs首先在多发性骨髓瘤细胞中被发现[8]。事实上,在非小细胞肺癌、髓母细胞瘤、乳腺癌、食管癌、胃癌、结肠癌、弥漫性大B细胞淋巴瘤、T细胞急性淋巴细胞白血病、默克尔细胞癌、急性髓性白血病和黑色素瘤等多种恶性肿瘤中,发现SEs可通过调控具有致癌特性和决定细胞特性基因的转录水平来调控癌细胞的增殖、迁移、侵袭等生物学行为[6]。SEs也可整合Wnt、Lif、TGF-β、Hippo、Ras等多种致癌信号通路的终末TFs的一个或多个结合位点,来有效调控基因的表达[9-11]。目前研究已经证实致癌性SEs的激活可以促使正常细胞向肿瘤细胞的恶性转化[12]。因此,致癌性SEs的活化可以作为细胞癌变的一种标志。

许多肿瘤细胞关键致癌基因都是由SEs驱动的[8]。另外,在肿瘤发生过程中,肿瘤细胞自身可以在癌基因附近区域构建SEs,用以调控癌基因的表达[13]。受SEs调控的基因被称为SEs相关基因。SEs相关基因的异常表达在肿瘤发生发展过程中发挥重要作用[14]。其中SE-LncRNAs受到了更多的关注。在食管鳞癌中转录因子TP63和SOX2可以通过直接与SEs和启动子结合来激活LncRNA CCAT1的转录,并通过激活下游MEK/ERK 1/2和PI3K/AKT信号通路促进食管癌的发生发展[15]。SEs促进LINC01503在食管鳞状细胞癌中高表达,LINC01503的高表达促进食管鳞状细胞癌增殖、迁移、侵袭,并与不良预后有关[16]。在卵巢癌中,SE-LncRNA UCA1直接与AMOT相互作用,并激活YAP及其靶基因,促进卵巢癌细胞的生长,并与卵巢癌患者不良预后有关[17]。研究表明激活的增强子或SEs区域也可以被转录产生RNA,称为增强子RNA,其可以协同SEs激活转录[18-19]。

2 SEs在肿瘤治疗中的应用

在肿瘤细胞中癌基因的转录被激活,抑制癌基因的转录是治疗肿瘤的一个潜在靶点。Yang等[20]研究发现,在三阴性乳腺癌的细胞中存在大量“肿瘤特异性转录本”,并成功绘制出世界首个三阴性乳腺癌“肿瘤特异性转录本”图谱。进一步发现,SEs能够激活“肿瘤特异性转录本”MARCO-TST在三阴性乳腺癌中的表达,首次证实BET抑制剂可作为三阴性乳腺癌患者的潜在治疗选择。与单个致癌基因或分子相比,肿瘤细胞特性的维持更依赖于SEs的活性。这意味着,SEs是更加理想的抗癌靶点[21]。因此,靶向抑制SEs的活性或敲除SEs片段可能成为肿瘤治疗的新方法。然而,转录作为一个在体内普遍发生的生物学过程,不能被整体抑制,需要高度特异性抑制才能抗肿瘤治疗。因此,有必要在参与SEs机制的小分子中寻找一个可能的干预靶点。

2.1以SEs为靶点的小分子抑制剂 SEs调控的转录依赖BRD4、Mediator复合体、包含细胞周期依赖性激酶7(cyclin-dependent kina SEs 7,CDK7)的TFⅡH复合体和包含CDK9的转录延伸复合体[22]。因此,SEs调控基因转录的关键节点是Mediator复合体、BRD4和关键的CDKs[23]。当前,以SEs为靶点的小分子抑制剂主要包括以下几类:①BET家族蛋白抑制剂或降解剂;② CDKs抑制剂;③其他抑制剂[7],见表1。目前以SEs为靶点的肿瘤治疗相关研究逐渐增加,部分小分子抑制剂已进入临床试验阶段,见表2。SEs有望成为肿瘤治疗的新靶点。

表1 在肿瘤治疗中以超级增强子为靶点的小分子抑制剂

表2 在肿瘤治疗中以超级增强子为靶点的小分子抑制剂临床试验

2.1.1BET家族蛋白抑制剂或降解剂 BET家族蛋白由4个成员组成,BRD2、BRD3、BRD4和BRDT,前3种蛋白在人类各种细胞中广泛表达,而BRDT仅表达于男性生殖细胞中,四者之间的功能差异仍不清楚[56]。目前BRD4是BET家族蛋白中研究最为广泛的成员,其抑制剂JQ1是最先被报道的BET家族蛋白抑制剂[57]。越来越多的研究已经探索了BET家族蛋白抑制剂或降解剂在肿瘤治疗中的作用,部分抑制剂已进入临床试验阶段,并初步显现出满意的抗肿瘤效果。

BRD4选择性抑制剂JQ1可以选择性的与BRD4的溴区结构域结合而阻止BRD4识别SEs上的乙酰化修饰位点,从而限制BRD4与SEs的H3K27ac位点结合,影响SEs与启动子的相互作用,抑制癌基因的转录[58]。文献报道JQ1在多种肿瘤中可通过抑制SEs活性而发挥抗肿瘤作用。在多发性骨髓瘤细胞中,JQ1选择性的抑制BRD4与SEs结合,导致转录延长缺陷,优先抑制SEs相关癌基因MYC的表达,并抑制了肿瘤生长[8]。在结直肠癌中,SEs与MAPK信号通路相关,在维莫非尼(BRAF抑制剂)中加入JQ1,可以通过抑制SEs的活性而抑制由维莫非尼引发的MAPK信号通路的反馈激活,明显改善了维莫非尼的抗肿瘤作用[59]。JQ1也可以通过抑制TGFBR2的SEs,下调TGFBR2的表达,从而阻断TGF-β信号通路,抑制胰腺癌细胞生长[60]。BRD4选择性抑制剂I-BET151可以通过下调SEs相关基因,如CEBPA, IRF8, IRF1和ETV6的表达,而发挥抗急性髓性白血病(AML)作用[27]。BET家族蛋白降级剂BETd-246可以特异地降解BRD家族蛋白,从而阻止BRD家族蛋白识别SEs的乙酰化位点,影响SEs活性,抑制转录,从而抑制了三阴性乳腺癌的发展[30]。

2.1.2CDKs抑制剂 CDKs是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,其与周期蛋白cyclin协同作用,在调控细胞周期和转录过程中发挥着重要作用,CDKs的表达和功能失调是人类肿瘤形成最常见的改变之一[61]。有报道称,CDK7不仅影响细胞周期,还与SEs驱动的致癌基因的调控相关[62]。近期的研究表明,CDK7抑制剂可以通过抑制SEs驱动的致癌基因转录选择性杀死癌细胞。这一过程可能由于CDK7抑制剂可以降低作用于SEs区域的致癌性TFs的水平,导致多种癌基因转录抑制,从而抑制肿瘤细胞的生长和增殖。因此,CDK7已成为热门抗癌靶点[63]。CDK7抑制剂THZ1可以和CDK7的第312位半胱氨酸共价结合,抑制CDK7的激酶活性,从而抑制CDK7 对于Pol Ⅱ CTD的第5位丝氨酸磷酸化,抑制转录起始,进一步阻止Pol Ⅱ在启动子近端暂停。SEs主要调控暂停的Pol Ⅱ释放,THZ1处理之后在启动子近端的Pol Ⅱ减少,也减少在增强子处的Pol Ⅱ结合,最终抑制转录[5]。THZ1可通过抑制SEs驱动的基因,如: RUNX1, TAL1和GATA3的转录而抑制T细胞淋巴瘤的生长[44]。有研究表明,CDK7共价抑制剂YKL-5-124与BRD4抑制剂JQ1联合使用治疗神经母细胞瘤可以提高JQ1的治疗效果并延缓耐药的产生,提示联合用药可能是一个研究方向[64]。除此之外,CDK12/13抑制剂THZ531可以特异性抑制CDK12/13,有效抑制SEs介导的基因表达,从而发挥抗急性T细胞淋巴瘤的作用[49]。CDK4/6抑制剂 Lee011也被证实可选择性抑制CDK4,下调cyclin D1相关的SEs活性,有效的促进尤因肉瘤细胞的凋亡[52]。

2.1.3其他抑制剂 GZ17-6.02可以影响基因的乙酰化,降低主转录因子、超音速刺猬蛋白通路中的蛋白质和干细胞标志物的转录[53]。在胰腺导管腺癌中,GZ17-6.02可以降低主转录因子Oct-4在SEs区域的占有率,降低SEs的活性,从而抑制了胰腺导管腺癌细胞的生长[53]。GZ17-6.02也可以通过下调超增强子基因的表达,抑制恶性胶质细胞瘤的生长[54]。此外,Syros公司利用其基因控制平台,找到了具有RARA或IRF8基因SEs的急性髓细胞白血病病人和骨髓增生异常综合征亚群患者,并且发现了可以识别这些SEs的生物标记物,这些SEs被认为驱动了RARA或IRF8基因的过度表达,通过锁定不成熟、未分化及增殖阶段的细胞,从而导致肿瘤的发生。视黄酸受体-α激动剂SY-1425可以促进RARA或IRF8基因高表达急性髓细胞白血病细胞的分化,从而抑制肿瘤生长[55]。

3 展望

SEs是目前临床和基础研究中备受争议的话题,其功能和潜在的临床治疗前景备受关注。目前已有大量BET家族蛋白抑制剂或降解剂及CDKs抑制剂被纳入靶向SEs的临床研究中,其在抗肿瘤治疗中的价值逐步被发掘。然而值得注意的是,靶向SEs治疗癌症可能会产生显著的不良反应,因为在阻断SEs时,一些正常基因也会被抑制。例如,研究表明THZ1可以抑制肌源性分化,这表明THZ1在治疗过程中可能对肌肉功能产生不良反应[65]。此外,通过CRISPR/Cas9基因编辑系统干扰致癌性SEs的生成,可以阻断SEs,调控SEs驱动的致癌基因,避免肿瘤的发生。也可以通过CRISPR/Cas9基因编辑系统敲除致癌性SEs,从而发挥抗肿瘤作用。然而由于CRISPR/Cas9基因编辑系统的脱靶效应,任何非目标位点的基因编辑都与临床风险相关[63]。因此,迫切需要更多的研究来更好地理解其机制。