Nature:改变DNA的三维构象驱动癌症
2016/01/04
在本周的Nature中,Flavahan等人报导了通过突变的IDH1生成的异常代谢产物可能主要通过改变DNA的三维构象驱动癌症。


基因组空间构象对于基因调控很重要,但我们对人类三维基因组结构的认识才刚刚起步。在本周的Nature中,Flavahan等人报导了通过突变的IDH1生成的异常代谢产物可能主要通过改变DNA的三维构象驱动癌症。

在世纪末的发现编码异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)的基因变异往往与胶质瘤,脑肿瘤最常见的形式相关,这是意想不到的。IDH1蛋白参与柠檬酸循环代谢的过程,几乎在所有的细胞用于产生能量,而只是在2008年被联系到癌症。

突变的IDH1转换三羧酸循环分子异柠檬酸为异常代谢产物抑制TET酶。TET酶的作用是除去DNA上的甲基。甲基化的存在可以改变基因的表达,防止一些蛋白质的结合。启动子序列过量的甲基化,可以让肿瘤抑制基因沉默,导致癌症。已经证明抑制TET酶导致在IDH1突变的肿瘤超甲基化。然而,在这些肿瘤重的启动子超甲基化一般不与基因表达的变化相关,提示癌症相关的甲基化变化可能发生在其他DNA序列。

除了启动子区域,基因的表达可以被染色质的三维结构所调节。染色质的结构是非常复杂的,是由称为拓扑关联域(TADS)进化上保守的回路所定义。例如DNA序列之间的相互作用,使启动子和远处的增强子接触激活基因表达。这种相互作用在TADS中是更常见的。

TADS是由DNA结合蛋白如CCCTC结合因子(CTCF)彼此隔绝的。删除包含一个CTCF结合位点的DNA序列,已被证明会导致点的结构和基因的表达的变化引起肢体畸形。这强调了保持这些界限的重要性。值得注意的是,CTCF结合对DNA甲基化的变化敏感。

Flavahan等人表明CTCF结合位点的一个子集在IDH1突变的胶质瘤中是甲基化的,与CTCF结合位点随之减少。利用上百个胶质瘤和正常脑组织的基因表达数据,并使用从不同的细胞系的三维染色体构象数据,研究者发现了以前未知的TADs和胶质瘤突变的IDH1基因表达之间的相关性,提示TAD的边界可能被打破。

突变的细胞相关数百对基因,在跨越打破的TAD的边界。其中,PDGFRA和FIP1L1是最高度表达。PDGFRA基因是一个做进一步研究极有吸引力的候选,因为这是一个研究得很透彻的癌基因(突变激活或过表达时促进癌发生)。它在20%的重度胶质瘤中基因扩增。作者发现,在较低程度的IDH1突变的胶质瘤,在PDGFRA和FIP1L1之间的TAD边界的CTCF站点是甲基化的,且与CTCF结合减少。因此,虽然产生的较低和较重程度的肿瘤的机制不同,PDGFRA表达的增加,可能是胶质瘤的一个常见的主题。

Flavahan和他的同事发现,在IDH1没有突变的胶质瘤细胞中,PDGFRA基因启动子与自己的增强子强烈作用。互动模式与IDH1突变的肿瘤明显不同。在这里,有PDGFRA基因启动子和不相关的FIP1L1增强子之间有强烈的相互作用,尽管这两个遗传基因是由近90万个碱基对分开。这种异常的相互作用是PDGFRA基因启动子和自己的增强子之间大约五倍。这些结果表明,超甲基化打破边界可以允许FIP1L1增强子与 PDGFRA基因启动子相互作用,基因表达增加(如图示)。


确认DNA的甲基化是他们观察到的PDGFRA表达升高的原因,作者用降低DNA甲基化的药物处理IDH1突变的细胞。在与他们的假设一致,减少CTCF结合位点的甲基化,会增加CTCF结合和减少PDGFRA表达。相反,实验打断缺乏IDH1基因突变细胞的CTCF结合位点导致PDGFRA表达增加。因为在增强子-启动子的相互作用的变化产生了可改变的表达,但这是没有办法直接测试的。PDGFRA基因的高表达,与未处理的细胞相比细胞生长翻了一番。这表明,在IDH1突变的胶质瘤细胞中和没有突变的细胞相比,增加的PDGFRα蛋白提供一种选择性生长优势,

Flavahan和他的同事的研究侧重于数百个中的一个CTCF位点,所以其他原癌基因在IDH1突变的肿瘤中也可能是由新形成的增强子–启动子作用激活。许多新激活的基因也可能是没有任何功能性的后果。CTCF位点的甲基化状态和增强子在不同类型的细胞中,活性有着很大的不同。这表明在重症胶质瘤、结肠癌、淋巴瘤、白血病和其他IDH1突变的癌症中分析3D染色体构象可以揭示基因组甲基化不同的目标。这些目标可能还包括除了CTCF甲基化敏感的因子的结合区域。

在IDH1突变的肿瘤中IDH1抑制剂治疗后,异常超甲基化持续存在。这和DNA甲基化程度是高度稳定的事实是一致。目前的研究建议超甲基化参与了癌症的转变,这种稳定性可能对患者IDH1抑制剂的治疗是个挑战。解开DNA的甲基化对基因失调的影响,将导致对TET和其他酶的下游驱动的IDH1突变的癌症细胞的演化以更完整的调查。Flavahan及其同事的研究提供了一个全新的视角来进行未来的研究。

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