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        超級增強子在前列腺癌中的研究進展

        2022-08-11 09:08:18龍軍陳林楊亞飛何江樞李嘉汪松陳書練梁國標楊進
        中國腫瘤外科雜志 2022年3期
        關鍵詞:增強子磷酸化前列腺癌

        龍軍, 陳林, 楊亞飛, 何江樞, 李嘉, 汪松, 陳書練, 梁國標, 楊進

        泌尿系統(tǒng)腫瘤中前列腺癌是最常見的惡性腫瘤。最新世界腫瘤數(shù)據(jù)庫(GLOBOCAN)數(shù)據(jù)顯示,前列腺癌已成為世界第二大常見癌癥,為男性癌癥死亡的第五大因素[1]。目前治療方法包括手術、放療、化療等,但這些方法效果有限,仍不能很好改善患者的預后及生存情況。靶向治療能帶來不錯的治療效果,因此,探索新的分子靶點,勢在必行。

        增強子是一類非編碼DNA調(diào)控序列,結合了RNA聚合酶Ⅱ、轉錄因子(transcription factors,TFs)、輔助激活因子、調(diào)節(jié)因子(MED1、OGT等)等,增加啟動子活性并促進靶基因轉錄發(fā)揮正向調(diào)控作用[2]。增強子對基因的調(diào)控可以發(fā)生在同一基因的不同位置,或是不同染色質(zhì)上的基因。甚至在某些情況下,單個增強子能對多個基因進行調(diào)控。超級增強子(super-enhancer, SE)是高密度結合了關鍵調(diào)控因子和中介子(Mediator)的增強子簇,含有細胞類型特異性轉錄因子,在控制細胞身份和調(diào)控細胞命運中發(fā)揮重要作用[3-4]。

        在腫瘤發(fā)病機制中,癌細胞在致癌基因和其他基因上生成SE。后來的研究發(fā)現(xiàn),正常細胞并不表達癌細胞所生成的SE調(diào)控的關鍵癌基因,這就表明SE可以通過調(diào)控這些關鍵基因維持腫瘤特性,在癌癥的發(fā)生和發(fā)展中起到關鍵作用[5]。因此,SE的活化可以作為腫瘤預診斷的標志以及分子治療的靶點,從而調(diào)控疾病特異性SE及其相關因子的活性,就有機會實現(xiàn)疾病的精準治療。

        1A:為增強子結構;1B:為超級增強子結構圖1 增強子和超級增強子的結構

        1 SE的結構特征與疾病中的調(diào)控功能

        1.1 SE的結構特征 SE是一類增強子大簇,具有細胞特異性,控制細胞身份基因的表達。SE富集關鍵轉錄因子結合基序,可以大量結合關鍵TFs(Oct4、Sox2、Nanog、Klf4、Esrrb),和增強子一樣,促進靶基因的高水平轉錄,但SE作用效果較普通增強子高一個數(shù)量級(圖1)。此外,SE的大小、所結合的TFs的量以及對干擾的敏感性都不同于普通增強子。SE還富含信號途徑TFs DNA基序,從而結合相應信號途徑終端TFs(如Wnt通路的TCF3、TGF-β通路中的SMAD3和LIF中的STATE3),作為一個信號平臺,匯集來自發(fā)育相關的信號通路傳來的信號,這些信號協(xié)同調(diào)控SE活性啟動相關基因轉錄[6]。SE除能激活蛋白編碼基因的轉錄外,還能自身轉錄產(chǎn)生增強子RNA(eRNA)調(diào)控基因表達。通過測定增強子轉錄相關標記分子或組蛋白修飾改變,便可以鑒定SE,這些分子包括輔因子(Mediator和Cohensin)、組蛋白修飾標記(H3K27ac和H3K4me1)、染色質(zhì)修飾分子(p300)等,其中H3K27ac能區(qū)分活性與非活性增強子,常作為鑒定的最佳選擇[7-8]。也有報道發(fā)現(xiàn)增強子RNA(enhancer RNA,eRNA)較H3K27ac更適合用于鑒定增強子活性及新的增強子預測[9-10]。

        1.2 SE在疾病中的調(diào)控作用 Dowen等[11]研究發(fā)現(xiàn)了SE結構域,能將SE的作用限制在結構域內(nèi)而不影響鄰近基因的表達,因此其結構完整性對鄰近基因正常表達至關重要,若失去該限制功能,將可能導致鄰近基因被SE異常激活而發(fā)生腫瘤。腫瘤細胞產(chǎn)生的SE也會結合許多腫瘤相關的信號通路TFs。在結直腸腫瘤中, Wnt信號通路相關的SE區(qū)域富集了大量TCF4,激活或者抑制該通路,便能調(diào)控SE相關的基因轉錄[6]。Raisner等[12]通過實驗證實BAMBI基因(一種TGF-β通路抑制因子)為三陰乳腺癌所依賴,并在該基因近端和遠端均發(fā)現(xiàn)有SE元件。這些SE元件與BAMBI基因之間相互關聯(lián),在敲除BAMBI基因后,HCC38細胞生長被顯著抑制。

        綜上所述,SE由于其結構特殊性,可以通過多種方式調(diào)節(jié)疾病相關基因的表達,并影響疾病的預后,包括前列腺癌。進一步探究SE相關機制,將有助于尋找新的治療靶點、研究新的靶向藥物和優(yōu)化疾病的診治。

        2 SE相關分子在前列腺癌中的作用

        SE上結合了大量轉錄因子(如BRD4、CDKs、ERG、FOXA1等)、長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA, lncRNA)、輔因子、染色質(zhì)調(diào)節(jié)子、RNA聚合酶等[13-14],作為一個信號平臺發(fā)揮作用接收不同信號通路傳來的信號,從而激活啟動子調(diào)控下游關鍵基因的轉錄,包括腫瘤信號。(圖2)2.1 BET/BRD4 BRD4是SE的重要組成部分,能識別并結合乙?;M蛋白,協(xié)助Mediator募集到啟動子區(qū)域,在轉錄啟動后,促進正性轉錄延長因子(P-TEFb)募集到RNA pⅡ并通過P-TEFb激活聚合酶Ⅱ CTD的磷酸化,從而增加聚合酶Ⅱ依賴的轉錄[15],是組織特異性SE的關鍵鑒別因素。

        注:超級增強子結合多種轉錄因子,通過中介子與啟動子相連,形成一定的結構域。接收不同信號通路的信息,進而影響靶基因的轉錄圖2 SE在前列腺癌中的作用機制

        在前列腺癌中,BRD4與雄激素受體(Androgen receptor,AR)的N端結合驅(qū)動AR介導的基因的表達[16]。AR陽性細胞系(VCaP等)對BET抑制劑(BET inhibitor,BETi)選擇性敏感,而AR陰性細胞系(PC3等)不敏感[17-18]。在趨勢抵抗性前列腺癌(castration- resistant prostate cancer,CRPC),中BRD4也可以與ERG互作來控制常見基因的上調(diào)。此外,在前列腺癌中還有許多參與主要染色質(zhì)相關程序和改變的蛋白也含有BRD4[19]。靶向BRD4和相關BET蛋白的溴結構域的抑制劑在臨床前列腺癌模型中顯示出療效。

        Wilflingseder等[20]研究發(fā)現(xiàn),在腎損傷早期,下游信號轉導被激活從而在增強子和SE上募集關鍵信號依賴轉錄因子(如STAT3或AP-1)進而使組蛋白發(fā)生乙?;⑴cBRD4結合,促進腎修復關鍵基因的轉錄。在缺血再灌注損傷前,BRD4的功能缺失,將會導致急性腎損傷后出現(xiàn)恢復受損并且增加死亡率。因此,我們猜測在其他非腫瘤疾病中,或許SE也參與調(diào)控,但這還需要研究人員進一步探索。

        2.2 CDKs CDKs控制關鍵細胞周期點和轉錄并對細胞內(nèi)外增殖信號作出響應。CDKs相關的SE調(diào)控AR的募集以及RNA pII的磷酸化來促進靶基因的表達,也因此成為CDK抑制劑的治療靶點。

        TFIIH激酶CDK7通過磷酸化RNA pⅡ的C端域,從而發(fā)揮調(diào)控SE活性的作用[21]。此外,CDK7還能通過磷酸化AR來促進轉錄激活活性以及后續(xù)的蛋白降解[22-24]。在前列腺癌中,CDK7通過配體特異磷酸化激活MED1,被募集到AR結合的SE上導致SE相關的轉錄因子高密度裝配[18]。在MED1的參與下,通過CDK7抑制能迅速阻斷癌基因驅(qū)動因子AR等的表達[25-28]。在膀胱癌中,CDK7還能促進募集組蛋白甲基轉移酶SETD1A/B和SETD2來影響染色質(zhì)修飾[29-30]。

        P-TEFb是轉錄過程中最主要的限速步驟和調(diào)控環(huán)節(jié),它也位于SE上。P-TEFb復合物包含CDK9和cyclinT1,其活性形式cyclinT-CDK9-BRD4[31]。CDK9通過促進RNA pII的CTD中Ser2的磷酸化,啟動轉錄延長。BRD4也可以在RNA pII的CTD促進CDK9調(diào)節(jié)的Ser2的磷酸化。CDK9能調(diào)節(jié)AR的穩(wěn)定性,是下游AR靶基因的表達所需。CDK9通過N端磷酸化延長AR半衰期和活性,而未被磷酸化的AR將被降解。因此抑制CDK9可能為CRPC的治療提供新的思路[15,32]。

        CDK12主要通過磷酸化RNA pⅡ的C端域絲氨酸2(Ser2)來調(diào)節(jié)轉錄延長過程,已經(jīng)證實CDK12為一些惡性腫瘤的致癌驅(qū)動因子(如胃癌、乳腺癌、前列腺癌)[33-36]。

        2.3 ERG ERG是細胞特異性譜系分化和表達模式的必要轉錄因子,比如內(nèi)皮細胞、造血細胞和官腔細胞分化[37-40]。其發(fā)揮作用主要是通過調(diào)控譜系特異性增強子和SE實現(xiàn)。ERG與染色質(zhì)易位,產(chǎn)生不同融合基因,如前列腺癌中TMPRSS2-ERG、急性髓系白細胞中FUS-ERG和尤因肉瘤中EWS-ERG。TMPRSS2-ERG陽性的前列腺癌中,ERG過表達導致SE的形成并促進腫瘤發(fā)展相關基因的轉錄活性,也是腫瘤晚期、高Gleason評分、轉移以及短生存時間的因素[41]。ERG的SE相關的譜系特異性機制與前列腺癌特異性轉錄因子FOXA1和HOXB13相關,通過物理互作協(xié)同作用。其機制是通過BRG1相關的染色質(zhì)重塑復合物來建立SE染色質(zhì)可及性和轉錄調(diào)節(jié)從而部分增加SE的活性[18]。此外,ERG還能與BRD4互作并共定位在許多細胞增殖和侵襲相關的靶基因上。最近研究在前列腺癌中發(fā)現(xiàn)ERG下游靶點CBP/p300作用轉錄激活子2(CTTED2),可以促進p300和蛋白精氨酸易位,并與核仁形成多聚復合物刺激細胞遷移并最終導致前列腺癌轉移。

        2.4 FOXA1 FOXA1是前列腺癌發(fā)生發(fā)展的因子,其編碼的先鋒因子可以打開染色質(zhì)增加AR的可及性,使得FOXA2直接與AR互作產(chǎn)生AR信號,從而驅(qū)動癌細胞的生長和存活[42-43]。另外還能通過非AR依賴途徑發(fā)揮作用。FOXA1不能與Wnt通路抑制因子TLE3互相作用,進而激活Wnt通路增加癌細胞的侵襲和轉移能力[44]。因此,靶向FOXA1調(diào)控通路將為前列腺癌的治療提供一種新的思路。

        2.5 LncRNA/eRNA eRNA是一類由SE轉錄生成的非編碼RNA,它能通過多種方式調(diào)控增強子活性以及相關基因的轉錄。順式eRNA可以通過去除NELF并激活p-TEFb復合物,從而增加RNA pII的延長,正性調(diào)節(jié)鄰近mRNA。隨著對eRNA的研究增多,有研究人員發(fā)現(xiàn)反式eRNA也能發(fā)揮功能[45-46],反式eRNA可以將DNMT1募集到PSA等基因末端區(qū)域并增加其5mC甲基化水平。其機制在于碳C富集區(qū)域是反式eRNA結合DNMT1并發(fā)揮功能的關鍵。通過細胞實驗證實,AR與反式eRNA存在關聯(lián),因此進一步探究其互作關系將有助于尋找新的治療方式。

        此外,最近關于前列腺癌的研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)OXA1驅(qū)動的SE激活LncRNA DSCAM_AS1的表達,DSCAM_AS1能與YBX1互作影響YBX1募集到啟動子上FOXA1區(qū)域,從而促進前列腺癌的進展[47]。LncRNA MANCR在PC3中選擇性表達,并能增加癌細胞的遷移和侵襲能力[48]。此外,在膀胱癌中新發(fā)現(xiàn)的LncRNA LINC00162能促進腫瘤的進展,其機制是結合轉錄調(diào)節(jié)蛋白THRAP3抑制PTTG1IP的表達從而促進細胞增殖[49]。

        3 靶向SE治療前列腺癌

        前列腺癌治療核心是抑制AR驅(qū)動的癌基因信號及下游轉錄。多年來,AR途徑已成功用于早期和晚期前列腺癌的治療,最初采用手術和化學閹割,ADT是治療首選,但常發(fā)生去勢抵抗。故ADT聯(lián)合AR抑制劑治療轉移性或非轉移性前列腺癌成為研究熱點。(表1)

        表1 前列腺癌中靶向SE相關因子藥物

        Darolutamide被用于治療具有高風險進展為轉移性疾病的患有非轉移性趨勢抵抗性前列腺癌的男性患者[50]。它對AR配體具有高親和力,結合后能阻斷AR的同源二聚化,抑制AR進入細胞核從而降低雄激素靶基因的表達及前列腺癌細胞的增殖。此外,它還能通過減少FOXA1與AR結合發(fā)揮藥效。但是,AR信號抑制劑對前列腺患者生存質(zhì)量帶來的益處有限,因此需要探索新的治療靶點。

        THZ531是CDK12的共價抑制劑,最早用于T細胞淋巴瘤,其作用機制是下調(diào)AR信號并優(yōu)先抑制CDK12抑制敏感轉錄子(CDK12-ISTs),包括前列腺癌譜系特異性基因,以及促進細胞存活。研究人員利用CRISPR/Cas9對激酶進行篩選發(fā)現(xiàn)CDK12是前列腺癌細胞存活的保守必需因子。[51]此外,THZ531還能與AR拮抗劑協(xié)同作用,其協(xié)同效應可能是由于AR靶點H3K27ac信號減弱及SE相關凋亡通路強化所致。因此,Darolutamide聯(lián)合THZ531治療是否可行,仍有待探究。

        THZ1選擇性共價結合抑制CDK7磷酸化從而減弱AR信號且在CRPC和Enzalutamide抵抗前列腺癌細胞中維持效益。進一步研究表明,該藥可以選擇性靶向SE驅(qū)動的轉錄過程,包括MYC依賴的轉錄放大過程以及其他腫瘤特異性癌基因TFs和信號分子的表達過程[52-53]。THZ2能促進前列腺癌細胞的增殖和侵襲,與前列腺癌不良預后相關,在許多腫瘤中過表達,已成為潛在治療靶點,許多相關抑制劑的臨床試驗已經(jīng)進行[54]。

        Enzalutamide是配體結合域的結合子,能有效阻斷前列腺癌中AR的結合與激活。但一些患者在治療一段時間后出現(xiàn)Enzalutamide抵抗。在Enzalutamide抵抗前列腺癌中,AR-V7表達升高,KI-ARv-03可以靶向CDK9導致AR-V7磷酸化降低,從根本上調(diào)節(jié)AR及AR-V7依賴的轉錄[32]。

        Triptolide是雷公藤中提取的活性成分,具有抗前列腺癌作用。其機制是通過抑制AR磷酸化和AR-V7從而抑制AR結合到靶基因啟動子上,并減少TFIIH和RNA PII 的募集,使癌基因轉錄被抑制來達到抗癌目的。此外,在CRPC小鼠異種移植實驗中發(fā)現(xiàn),低劑量Triptolide還能與Enzalutamide協(xié)同作用增加Enzalutamide的抗癌效果。這使得Triptolide成為潛在CRPC治療藥物。[26]

        JQ1通過抑制BRD4與H3K27ac來抑制SE與啟動子互作,從而改變腫瘤基因轉錄而抗增殖。其作用靶點是LncRNA MANCR,RNA-seq分析顯示,在敲低MANCR后,癌細胞遷移和侵襲相關基因的表達發(fā)生了改變[48]。AR(-)的CRPC具有高度的侵襲和耐藥能力,JQ1能抑制前列腺癌細胞的惡性表型,在異種移植小鼠模型中,JQ1較Enzalutamide表現(xiàn)出更強的拮抗效果[55]。其抗腫瘤作用在膀胱癌中也得到了驗證[56]。

        4 結語及展望

        綜上所述,SE及其調(diào)控的相關分子在疾病的發(fā)生發(fā)展的關鍵節(jié)點發(fā)揮調(diào)控作用,檢測這些分子將有助于疾病的診斷及預后判斷,比如前列腺癌kinedin超家族蛋白4A(KIF4A)可作為前列腺癌預后標志物[57]。相比治療,腫瘤的診斷在腫瘤診治中更為重要。目前主要依賴組織活檢及影像學檢測確診,腫瘤液體活檢(如血漿循環(huán)游離DNA)的應用及發(fā)展,提高了診斷的特異性及敏感性[58]。將二代測序技術與之相結合,有望實現(xiàn)更準確的腫瘤診斷并為治療提供更準確的方向。亦或?qū)E相關因子深入探究,可能發(fā)現(xiàn)新的作用靶點,如潛在靶點DSCAM_AS1,為靶向藥物的選用及開發(fā)提供了依據(jù)。在一種疾病中可能有多個SE相關因子參與,聯(lián)合用藥或老藥新用也值得進一步探究。

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