袁婺洲,李瑞可

(湖南師范大學生命科學學院心臟發(fā)育研究中心,中國湖南 長沙 410081)

國際癌癥研究機構(gòu)(International Agency for Research on Cancer,IARC)發(fā)布的全球最新癌癥負擔數(shù)據(jù)顯示:2020年全球新發(fā)癌癥病例1 929萬例,癌癥死亡病例996萬例?？梢?癌癥依然是本世紀最可怕的疾病之一,給人們的生活帶來巨大陰影和負擔,因而癌癥發(fā)生、轉(zhuǎn)移的分子機制以及治療和預后策略一直是研究者們孜孜不倦關注的重大課題。近年很多文獻報道,超級增強子(super enhancer,SE)在癌癥發(fā)生、細胞分化、免疫應答等重要生物學過程中發(fā)揮著重要調(diào)控作用[1～3];腫瘤細胞的許多關鍵致癌基因由超級增強子驅(qū)動,超級增強子有潛力成為理想的抗癌靶點[1,4]。

1 增強子與超級增強子的概念

1981年,Banerji等[5]在猿猴空泡病毒SV40 DNA的5＇端上游發(fā)現(xiàn)了首個增強子,它能增強哺乳動物細胞中靶基因轉(zhuǎn)錄。隨后,人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多增強子,它們都能通過轉(zhuǎn)錄因子募集共激活因子(例如中介體復合物CREB結(jié)合蛋白CBP和p300),從而改變?nèi)旧|(zhì)的空間結(jié)構(gòu),促進轉(zhuǎn)錄因子與增強子、啟動子及RNA聚合酶相互作用[6]。增強子的活性也與組蛋白的修飾狀態(tài)有關,因為基因活躍的轉(zhuǎn)錄起始位點都有H3K27me3、H3K27ac和H3K4me1標記[7～8]。此外,增強子還能被轉(zhuǎn)錄為增強子RNA(enhancer RNA,eRNA)[9]。

與普通增強子不同,超級增強子是一種跨越8 kb以上的大型增強子,能與細胞中多種組織特異性轉(zhuǎn)錄因子(如胚胎干細胞的Oct4、Sox2及Nanog等)、中介體復合物(mediator,Med)、染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子及RNA聚合酶Ⅱ復合物結(jié)合,且這些活性分子的密度是普通增強子的好幾倍。因此,超級增強子比普通增強子具有更強的驅(qū)動靶基因轉(zhuǎn)錄的能力(圖1A),且超級增強子產(chǎn)生的RNA(super enhancer RNA,seRNA)水平更高[1,4]。雖然超級增強子具有與普通增強子相似的作用機制,但在腫瘤發(fā)生過程中,DNA突變、插入或缺失、染色體重排、染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)改變和病毒感染則可能導致致癌超級增強子(carcinogenic super enhancer)的產(chǎn)生,促使癌細胞中癌基因高水平轉(zhuǎn)錄[10～21]。

2 超級增強子的結(jié)構(gòu)和鑒定

超級增強子與普通增強子結(jié)構(gòu)類似,都能與轉(zhuǎn)錄因子、中介體復合物、啟動子、RNA聚合酶及靶基因形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu),只是它比普通增強子更大(現(xiàn)傾向于認為至少跨越基因組8.7 kb大小),包含的增強子和轉(zhuǎn)錄因子更多[6](圖1A)。中介體復合物、染色質(zhì)因子、H3K27ac和H3K4me1、組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶、p300和CBP、RNA聚合酶Ⅱ和eRNA等,大量富集在超級增強子區(qū)域,它們具有很強的染色質(zhì)可及性[1]。此外,超級增強子在Wnt、轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)和白血病抑制因子(leukemia-inhibitory factor,LIF)信號轉(zhuǎn)導途徑中更受末端轉(zhuǎn)錄因子的束縛,調(diào)控基因表達水平更高[4,11,16,22～23]。一些證據(jù)表明,超級增強子中的組成增強子可能彼此加強或共同發(fā)揮作用,在基因調(diào)控中具有非冗余功能,而刪除組成增強子則可能損害超級增強子其他成分的活性,導致整個超級增強子的功能障礙[23～25]。

研究人員提出了一種相分離模型來解釋超級增強子的形成機制[26～31]。通過類似于聚合物縮合的相分離現(xiàn)象,蛋白質(zhì)和DNA的異質(zhì)混合物被組裝成無膜細胞器結(jié)構(gòu)[28]。其中,溴結(jié)構(gòu)域蛋白4(bromodomain protein 4,BRD4)和Med 1(mediator 1)的內(nèi)部無序區(qū)域(inner disorder,IDR)可能在超級增強子介導的轉(zhuǎn)錄位點形成相分離的液滴(圖1B),促進特定基因轉(zhuǎn)錄成分的分隔和集中[29]。缺乏黏連蛋白會導致超級增強子在細胞核中廣泛融合,從而限制超級增強子之間的相互作用[30～31]。

圖1 超級增強子結(jié)構(gòu)與相分離模型[31](A)增強子或超級增強子與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子結(jié)合,包括轉(zhuǎn)錄因子、共激活因子和RNA聚合酶Ⅱ復合體。黏連蛋白將增強子或超級增強子與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子黏連在一起形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)。E表示增強子;TF表示轉(zhuǎn)錄因子;Med表示中介體復合物;RNA PolⅡ表示RNA聚合酶Ⅱ;(B)超級增強子激活的相分離模型。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子之間的高密度相互作用在超級增強子基因座處形成了相分離的多分子復合物,從而導致超級增強子驅(qū)動基因的轉(zhuǎn)錄。Fig.1 Structure of super enhancer and phase separation model[31](A)Enhancers or super enhancers bind to transcriptional regulators,including transcription factors,co-activators,and the RNA polymerase Ⅱ complex.Cohesin binds to enhancers or super enhancers and forms a loop with transcriptional regulators.E:Enhancer,TF:Transcription factor,Med:Mediator,RNA polⅡ:RNA polymerase Ⅱ;(B)A phase-separation model of super enhancer activation.High-density interactions among transcriptional regulators form phase-separated multimolecular complexes at super enhancer loci,resulting in super enhancer-driven gene transcription.

如何鑒定超級增強子呢？Young等[4,32～34]提出一個三步鑒定超級增強子的方法。第一步,運用染色質(zhì)免疫沉淀測序(chromatin immunoprecipitation sequencing,ChIP-seq)獲得小鼠胚胎干細胞DNA序列上Oct4、Sox2和Nanog等轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的信號強度,其中轉(zhuǎn)錄因子與增強子和轉(zhuǎn)錄起始位點密集結(jié)合的位點被用作超級增強子的候選片段[4]。第二步,在候選片段中選出共定位于12.5 kb DNA片段內(nèi)的增強子,將其定義為復合增強子(stitched enhancer)。他們一共篩選出8 794個復合增強子。第三步,確定超級增強子和普通增強子之間的閾值。首先,將復合增強子和單個增強子按照ChIP-seq所測Med1信號水平的強度排序,繪制一張曲線圖;隨后,將曲線上斜率為1的切線點所得的Med1信號值設定為區(qū)分超級增強子和普通增強子的閾值,高于該閾值為超級增強子,低于該閾值為普通增強子。實驗結(jié)果顯示,在8 794個復合增強子中,一共有231個DNA片段的Med1信號值斜率大于1,這231個復合增強子片段即被鑒定為超級增強子[32～34](圖2)。

圖2 普通增強子與超級增強子示意圖[32](A)增強子是位于轉(zhuǎn)錄起始位點遠端的具有方向和位置獨立性的順式調(diào)控元件[33～34]。共定位于12.5 kb DNA片段之內(nèi)且Med1信號值大于閾值的增強子被稱為超級增強子。超級增強子通常比普通增強子大一個數(shù)量級,具有更高的轉(zhuǎn)錄因子密度和更強的轉(zhuǎn)錄激活能力。TSS表示轉(zhuǎn)錄起始位點;(B)根據(jù)ChIP-seq信號水平的強度對增強子進行排序,確定閾值從而區(qū)分普通增強子和超級增強子。Fig.2 Schematic diagram of typical enhancers and super enhancers[32](A)Enhancers are orientation-and position-independent cis-regulatory elements distal to the transcription start site[33～34].Enhancers that co-localize within the 12.5 kb DNA fragment and their Med1 signal values are greater than threshold are called super enhancers.Super enhancers are usually an order of magnitude larger than ordinary enhancers,with higher density of transcription factors and stronger transcriptional activation capacity.TSS:Transcription start site;(B)Enhancers are ranked according to the intensity of ChIP-seq signal levels,and thresholds are determined to distinguish typical enhancers from super enhancers.

3 致癌超級增強子的發(fā)現(xiàn)

腫瘤發(fā)生時,腫瘤細胞可能獲得特定的超級增強子來促進癌基因表達,介導信號通路失調(diào),這種特定的超級增強子被稱為致癌超級增強子[1,11,17,35]。致癌超級增強子首先發(fā)現(xiàn)于多發(fā)性骨髓瘤細胞(multiple myeloma cell),具有與Med1和BRD4富集結(jié)合的特點。根據(jù)H3K27ac ChIP-seq的數(shù)據(jù),在直腸癌、前列腺癌及胰腺癌等18種人類癌癥細胞中人們也鑒定到了超級增強子[7];后來又在神經(jīng)母細胞瘤、髓母細胞瘤、食道癌、胃癌等發(fā)現(xiàn)超級增強子[36],說明腫瘤中普遍存在致癌超級增強子。

致癌超級增強子通過增加癌基因轉(zhuǎn)錄促使細胞向惡性腫瘤發(fā)展[23]。例如,致癌超級增強子可能激活MAPK信號通路,從而抑制細胞凋亡并增加細胞增殖[37];或者介導成紅細胞病毒E26癌基因同源物ERG過表達,促進癌癥發(fā)生[38]。另外,致癌超級增強子增加CYP24A1(1,25-dihydroxyvitamin D 24-hydroxylase)、GJA5(gap junction proteinα5)、SLAMF7(signaling lymphocyte activation marker family member 7)和 ETV1(E twenty-six variant 1)的表達[39]。相關研究報道,超級增強子增加了腺樣囊性癌(adenoid cystic carcinoma,ACC)中端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶基因(telomerasereversetranscriptase,TERT)的表達[40];結(jié)直腸癌(colorectal cancer,CRC)相關的超級增強子在TCF4結(jié)合位點富集[23]。TCF4是Wnt信號轉(zhuǎn)導的靶標,與c-MYC基因座結(jié)合,在癌細胞獲得致癌超級增強子后顯示出強H3-K27Ac信號[23]。針對MCF-7細胞中H3K27Ac的ChIP-seq分析表明,超級增強子靶向的ESR1(estrogenreceptor1)基因僅編碼雌激素受體α(estrogen receptor,ERα)。在ER陽性乳腺癌細胞中,超級增強子靶向基因富集并與ERα結(jié)合,而在三陰性乳腺癌細胞中,超級增強子富集位點與致癌轉(zhuǎn)錄因子位點不同[41]。

4 致癌超級增強子的形成機制

大量的全基因組研究表明,與疾病相關的體細胞變異主要發(fā)生在非編碼基因組中,且經(jīng)常在基因調(diào)節(jié)區(qū)域富集[42～43]。生殖細胞和體細胞似乎通過多種機制獲得超級增強子,包括基因組缺失、重復、易位、插入、倒位和單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)等。這些DNA序列改變可以破壞特定超級增強子中的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點,改變超級增強子的拷貝數(shù),并改變基因組構(gòu)像,從而導致超級增強子的激活或抑制,最終導致超級增強子附近靶基因的失控[15,19]。除了基因突變和基因組改變,染色體重排、3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化和病毒感染等也能導致超級增強子形成[13～14,17,20-22,31,35,44～51]。

4.1 DNA序列改變形成致癌超級增強子

超級增強子的DNA序列突變能改變啟動子和增強子的功能。例如,在T細胞急性淋巴細胞白血病(T-cell acute lymphoblastic leukemia,T-ALL)中,TAL1(T-cellacutelymphocyticleukemiaprotein1)基因上游非編碼區(qū)域的2～18 bp小片段插入產(chǎn)生了轉(zhuǎn)錄因子MYB的從頭結(jié)合位點,導致超級增強子形成并驅(qū)動TAL1表達。MYB募集CBP/p300乙酰轉(zhuǎn)移酶和TAL1轉(zhuǎn)錄因子復合物,進一步驅(qū)動白血病關鍵基因表達(圖3A)。除了小片段插入外,SNP也經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)可以啟動致癌超級增強子的活性。例如:在神經(jīng)細胞瘤(neuroblastoma)中,LMO1(LIMdomainonly1)癌基因座超級增強子的形成取決于GATA3與保守GATA位點的結(jié)合。位于超級增強子附近的SNP改變了保守的GATA結(jié)合位點,將GATA變?yōu)門ATA位點,導致超級增強子活性和LMO1表達顯著降低[46]。另外,SNP破壞與腫瘤抑制基因相關的超級增強子,從而促進腫瘤發(fā)生。全基因組關聯(lián)分析顯示,BMF(BCL2-modifyingfactor)基因的15q15.1風險基因座具有慢性淋巴細胞白血病(chronic lymphocytic leukemia,CLL)易感性。15q15.1風險基因座中的SNP產(chǎn)生超級增強子,以調(diào)節(jié)促凋亡基因BMF,并破壞核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)與超級增強子結(jié)合,從而增強BCL2抗凋亡功能,促進腫瘤發(fā)生[45](圖 3B)。

4.2 染色體重排形成致癌超級增強子

染色體重排、倒位、易位和缺失使超級增強子從其天然基因區(qū)域轉(zhuǎn)移至癌基因區(qū)域,從而激活癌基因。這種現(xiàn)象被稱為“超級增強子劫持”,并已在多種癌癥中得到報道,包括急性髓細胞白血病(acute myeloid leukemia,AML)、神經(jīng)母細胞瘤、髓母細胞瘤和結(jié)直腸癌[13,15,20,35,47]。最經(jīng)典的例子是,AML細胞中一個9 kb片段的倒位,引起超級增強子從原來的GATA2腫瘤抑制因子重新定向到EVI1(ecotropicvirusintegration-1)癌基因增強子,從而導致腫瘤抑制因子的下調(diào)和癌基因激活[13]。增強子劫持的另一個例子是,在腺樣囊性癌中一個染色體易位將MYB基因遠端超級增強子重新定位到MYB基因的近端,導致MYB高表達[49]。進一步的染色體構(gòu)象捕獲(chromosome conformation capture,3C)分析證實,MYB啟動子和異常轉(zhuǎn)移的超級增強子之間的染色質(zhì)相互作用[52],而且易位的超級增強子元件包含MYB結(jié)合位點,可被MYB自身主動結(jié)合并形成正反饋環(huán),從而進一步增強MYB表達。新近發(fā)現(xiàn)的一例增強子劫持是C19MC-TTYH1(chr19q13.41miRNAcluster-Tweetyhomologue1)基因融合產(chǎn)生的復合超級增強子,其擴增了C19MC-LIN28A-MYCN(chr19q13.41miRNAcluster-Lin28homologA-MYCN)致癌回路,并驅(qū)動了DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3B6(DNMT3B6)的表達,從而促進了胚胎腫瘤的惡性表觀遺傳狀態(tài)[53]。除基因組重排外,拷貝數(shù)變異也可以導致致癌超級增強子激活。體細胞拷貝數(shù)和12種癌細胞的組織特異性表觀遺傳分析表明,KLF5(krüppellikefactor5)、USP12(ubiquitin-specificprotease12)、PARD6B(par-6familycellpolarityregulatorbeta)、MYC和其他癌癥相關基因附近超級增強子的局部擴增,可以驅(qū)動癌基因的異常表達[48]。

4.3 3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化形成致癌超級增強子

哺乳動物基因組被劃分為一系列平均大小約為1 Mb的拓撲關聯(lián)域(topologically associating domain,TAD)。這些TAD是染色體的結(jié)構(gòu)和功能單元,不同細胞類型中TAD結(jié)構(gòu)是保守的[30,54]。TAD具有限制長距離增強子與啟動子相互作用的功能,從而使啟動子與遠端增強子和超級增強子隔離[12,19,54](圖 3C)。

圖3 致癌超級增強子形成的各種機制[31](A)在TAL1癌基因上游非編碼區(qū)域的小片段插入誘導了轉(zhuǎn)錄因子MYB的從頭結(jié)合位點,導致驅(qū)動TAL1表達的超級增強子形成。MYB結(jié)合并募集其H3K27乙?；附Y(jié)合伴侶CBP,即含有RUNX1和GATA3的TAL1轉(zhuǎn)錄復合物;(B)15q15.1風險基因座中的SNP產(chǎn)生促凋亡基因BMF的超級增強子,并破壞轉(zhuǎn)錄因子RELA與超級增強子的結(jié)合,從而激活BCL2的抗凋亡功能,促進腫瘤發(fā)生;(C)致癌基因的激活通過結(jié)構(gòu)變異或表觀遺傳效應改變而發(fā)生。Fig.3 Various mechanisms of carcinogenic super enhancer formation[31](A)Insertion of a small fragment in a noncoding region upstream of the TAL1 oncogene induces a de novo binding site for the transcription factor MYB,resulting in the formation of a super enhancer that drives TAL1 expression.MYB binds and recruits its H3K27 acetylase-binding partner CBP,the TAL1 transcription complex containing RUNX1 and GATA3;(B)SNPs in the 15q15.1 risk locus generate a super enhancer of the pro-apoptotic gene BMF and disrupt the binding of transcription factor RELA to the super enhancer,thereby activating the anti-apoptotic function of BCL2 and promoting tumorigenesis;(C)Activation of oncogenes occurs through structural variation or altered epigenetic effects.

TAD由染色質(zhì)環(huán)組成,通常涉及CTCF(CCCTC-binding factor)和黏連蛋白。與CTCF相關的邊界元件的存在可防止TAD異位接觸,并使TAD與鄰近增強子隔離。近期,研究人員開發(fā)了一種順式表達結(jié)構(gòu)改變作圖算法,用于系統(tǒng)預測癌癥相關基因過度表達的概率。研究者們通過這種方法發(fā)現(xiàn)了TAD邊界缺失事件,該事件導致活性染色質(zhì)擴散到相鄰融合的TAD并產(chǎn)生超級增強子元件,從而增加IRS4(insulinreceptorsubstrate4)基因在肉瘤(sarcoma)和鱗狀癌(squamous cancer)細胞中的表達[47]。此外,研究人員通過對CTCF和黏附素結(jié)合位點的分析獲得了多種癌細胞類型的突變。例如,CTCF和黏附素單倍體不足的小鼠易患癌癥[55]。在T細胞急性淋巴細胞白血病細胞中,CTCF結(jié)合位點破壞TAD邊界的調(diào)控元件,激活TAL1和LMO2表達,從而導致T細胞轉(zhuǎn)化[56]。除了TAD邊界的突變外,表觀遺傳調(diào)控的改變也已被證明是膠質(zhì)瘤(gliomas)中TAD破壞的機制[57]。據(jù)報道,CTCF位點甲基化的增強和CTCF結(jié)合力的降低會引起TAD結(jié)構(gòu)的部分破壞,從而導致PDGFRA(platelet-derivedgrowthfactorreceptoralpha)基因的活化[57]。

4.4 病毒感染形成致癌超級增強子

病毒感染也能誘導超級增強子形成,從而驅(qū)動與細胞增殖和存活相關的關鍵基因的高水平轉(zhuǎn)錄。具有致癌活性的病毒包括EB病毒(Epstein-Barr virus,EBV)、人乳頭瘤病毒(human papilloma virus,HPV)、人T細胞白血病病毒(human T cell leukemia virus,HTLV)和乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)。EBV感染人類B細胞后,會產(chǎn)生癌蛋白,包括EBNA2(Epstein-Barr virus-encoded nuclear antigen 2)、EBNA3A、EBNA3C 和 EBNALP(Epstein-Barr virus-encoded nuclear antigen leader protein)。這些癌蛋白激活NF-κB亞基并與超級增強子結(jié)合,以驅(qū)動一些癌基因和抗凋亡基因表達,包括MYC、miR155、IKZF3和BCL2,從而促進淋巴母細胞生長[14,21]。此外,EBV超級增強子(EBV super-enhancer,ESE)能被轉(zhuǎn)錄為seRNA,促進MYC癌基因的轉(zhuǎn)錄激活[50]。Ⅰ型HTLV(HTLV-1)經(jīng)常引發(fā)成人T細胞白血病/淋巴瘤(adult T-cell leukemia/lymphoma,ATLL)。ATLL細胞的增殖依賴于BATF3(basic leucine zipper ATF-like transcription factor 3)和 IRF4(interferon regulatory factor 4)的表達,它們共同驅(qū)動ATLL特異性基因表達。病毒轉(zhuǎn)錄因子HBZ(HTLV-1 basic leucine zipper factor)在所有ATLL病例中表達,且HBZ與BATF3超級增強子結(jié)合調(diào)節(jié)BATF3和MYC基因的表達,從而促進ATLL細胞增殖[58]。

5 致癌超級增強子涉及的信號通路

致癌超級增強子富含與癌癥信號通路相關的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點,通過調(diào)節(jié)靶基因激活包括Wnt、TGF-β和LIF在內(nèi)的幾種信號通路[2,23,59～61]。

致癌超級增強子介導的Wnt通路在腫瘤發(fā)生中起重要作用。先前的研究表明,在結(jié)直腸癌細胞中,與Wnt通路相關的超級增強子富含TCF4結(jié)合位點[23]。在基底細胞癌(basal cell carcinoma,BCC)的小鼠模型中,細胞是維持干細胞特性還是分化為特種細胞,與染色質(zhì)狀態(tài)改變、Wnt信號的快速激活以及超級增強子的重新編程都有關系。用Wnt信號抑制劑治療BCC可減少殘留的腫瘤負荷并增強細胞分化[59]。近期研究表明,Wnt信號和AHCTF1(AT-hook containing transcription factor 1)通過超級增強子介導的基因促進致癌基因MYC表達[60]。MYC的癌細胞特異性門控由AHCTF1調(diào)控,它通過β-catenin將核孔蛋白與致癌超級增強子連接起來[60]。

此外,TGF-β和LIF信號在癌癥的發(fā)生中也起著至關重要的作用。在胰腺癌(pancreatic cancer)細胞中,TGF-Ⅱ型受體(TGF beta typeⅡreceptor,TGFBR2)中超級增強子的缺失顯著下調(diào)了TGFBR2的表達,導致TGF-β誘導癌細胞的遷移和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial mesenchymal transition,EMT)受損[2]。用LIF重組蛋白處理的骨肉瘤(osteosarcoma)細胞顯示出致癌細胞的遷移速率增加。X染色體上的UTX(ubiquitouslytranscribedtetratricopeptiderepeat)基因是LIF轉(zhuǎn)錄的關鍵激活因子。UTX抑制劑GSK-J4損害LIF基因位點的超級增強子,導致LIF信號通路受到抑制[61]。

除了上述信號通路外,其他一些信號途徑也與致癌超級增強子有重要的關系。例如,突變的RAS活性促進致癌超級增強子形成,抑制RAS信號將導致超級增強子失活,同時降低癌基因表達[62]。

6 針對超級增強子靶標的癌癥治療策略

既然超級增強子能引起相關癌基因轉(zhuǎn)錄水平提高,那么,阻斷超級增強子應該是一種可行的抗癌治療策略。圖4展示了兩種通過靶向與超級增強子相關的復合物來抑制癌基因表達的潛在癌癥治療策略。

圖4 靶向超級增強子復合物的兩種方法示意圖[95]小分子抑制劑和基因編輯可以靶向超級增強子相關復合物(例如BRD4和CDK7),從而破壞超級增強子功能。Fig.4 Schematic diagram of two methods for targeting super enhancer complexes[95]Small molecular inhibitors and gene editing can target super enhancer associated complexes such as BRD4 and CDK7,thereby disrupting super enhancer function.

6.1 小分子抑制劑

目前,設計用于癌癥治療的小分子抑制劑包括周期蛋白依賴性激酶7(cyclin-dependent kinase 7,CDK7)抑制劑(如 THZ1)、BRD4 抑制劑(如 JQ1或BETi)及其他抑制劑3種類型[11,16,22,37,49,63～95](表1)。

表1 致癌超級增強子的小分子抑制劑Table 1 Small molecular inhibitors of carcinogenic super enhancers

CDK屬于絲氨酸/蘇氨酸激酶家族,在調(diào)節(jié)細胞周期和癌基因轉(zhuǎn)錄過程中起著至關重要的作用[96]。據(jù)報道,CDK7不僅影響細胞周期,還與超級增強子驅(qū)動的癌基因調(diào)控有關,因此CDK7已成為有吸引力的抗癌靶標[72,97]。THZ1是最有效的CDK小分子抑制劑(CDK7i)之一,在多種腫瘤中具有抗癌作用,這主要歸因于它對癌基因轉(zhuǎn)錄或超級增強子功能的干擾[97～98]。不過,研究表明THZ1也能抑制肌肉細胞的分化,提示THZ1在治療癌癥過程中可能對肌肉功能產(chǎn)生副作用[99]。CDK7i也可以與其他抗腫瘤藥物聯(lián)用,以提高療效并減少副作用。例如,在彌漫性橋腦神經(jīng)膠質(zhì)瘤(diffuse intrinsic pontine glioma)中,CDK7i與組蛋白脫乙?；敢种苿┞?lián)用時,癌細胞對CDK7i的敏感性顯著提高[97]。

BRD家族由4個成員組成:BRD2、BRD3、BRD4和BRDT,它們可以識別組蛋白乙酰化并促進相應癌基因的表達[100～101]。BETi(bromodomain and extraterminal domain inhibitor)主要抑制中介體復合物BRD4與超級增強子的結(jié)合,從而抑制超級增強子驅(qū)動的癌基因表達并減弱癌細胞的增殖[102]。不過,BETi抑制MYC基因的表達存在爭議的報道。一方面,一些研究發(fā)現(xiàn)BETi會優(yōu)先影響超級增強子驅(qū)動的MYC癌基因在多發(fā)性骨髓瘤和結(jié)腸癌中的表達,表明BETi敏感性與c-MYC基因水平顯著相關[16,80];另一方面,也有研究沒有觀察到結(jié)腸癌中JQ1(BETi的一種)敏感性與c-MYC表達之間的顯著相關性[37]。這說明針對患者需要量身定制個性化的治療方法[83]。目前,多個Ⅰ期臨床試驗報告,BETi具有嚴重的副作用,包括心臟毒性、胃腸道毒性、貧血、腹瀉、疲勞、惡心、中性粒細胞減少和血小板減少癥等[91,103～104]。但是,BETi與維生素C的組合使用,可以在很大程度上減輕這些副作用[105]。

除了上述兩類抑制劑外,一些基因表達的小分子蛋白質(zhì)或表觀遺傳修飾也參與了阻斷超級增強子的功能。例如:破壞KDM5C[lysine(K)-specifichistonedemethylase5C)基因與超級增強子形成的甲基化修飾(H3K4me1和H3K4me3),為乳腺癌治療提供了一種新方法[106];在B細胞系急性淋巴細胞白血病中過表達IKAROS基因,可以干擾MYC超級增強子區(qū)域的H3K27ac3修飾,從而抑制MYC基因的表達[107];PAX3和PAX5是超級增強子在肺泡肺橫紋肌肉瘤(pulmonary alveolar rhabdomyosarcoma)和慢性淋巴細胞白血病(chronic lymphocytic leukemia,CLL)中的關鍵轉(zhuǎn)錄因子,PAX抑制劑具有顯著的抗腫瘤作用[108～109]。此外,在脊索瘤(chordoma)中,IRS4/IGF2蛋白可以直接與超級增強子序列相互作用,抑制超級增強子的功能[71]。

6.2 基因編輯

癌細胞中異常的堿基插入、缺失和染色質(zhì)重排可導致超級增強子形成。CRISPR/Cas9基因編輯技術可用于消除上述原因引起的超級增強子的形成,因此我們可以通過CRISPR/Cas9系統(tǒng)實現(xiàn)抗癌治療。例如,RUNX1(RUNX family transcription factor 1)是調(diào)節(jié)正常和惡性血細胞產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄因子,通過CRISPR/Cas9系統(tǒng)破壞RUNX1基因的超級增強子區(qū)域會增加急性白血病細胞的凋亡,進而改變AML小鼠的存活率[110]。在T細胞急性淋巴細胞白血病的原始樣本和細胞系中,TAL1基因轉(zhuǎn)錄起始位點上游7.5 kb處發(fā)生插入/缺失突變,促使MYB結(jié)合位點和超級增強子形成,從而導致癌基因表達上調(diào);利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除異常插入的堿基后,急性淋巴細胞白血病樣本中不再有超級增強子和TAL1基因過表達的現(xiàn)象[17]。此外,CRISPR/Cas9敲除系統(tǒng)也可用于消除AML細胞中異常增強子的激活。

CRISPR/Cas9敲入系統(tǒng)在與SNP相關的超級增強子驅(qū)動癌基因的表達模式中也很有前景[111～112]。在結(jié)腸細胞中,SNP rs6854845在超級增強子區(qū)域形成并影響超級增強子區(qū)域中H3K4me1和H3K27ac的轉(zhuǎn)移富集,進而影響超級增強子驅(qū)動基因的表達,因此,SNP rs6854845被認為是結(jié)腸癌的危險因素之一[113～114]?；贑RISPR/Cas9的SNP位點基因編輯可以通過逆轉(zhuǎn)SNP和超級增強子驅(qū)動基因之間的相互作用來改善細胞中的多種致病性變化。

7 總結(jié)與展望

致癌超級增強子具有比普通增強子更強的激活癌基因轉(zhuǎn)錄的能力,因而是很多惡性腫瘤發(fā)病的重要原因。致癌超級增強子的形成主要是由于癌基因增強子調(diào)控區(qū)域的DNA序列突變、堿基缺失或插入、染色體結(jié)構(gòu)重排、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)TAD邊界缺失以及某些病毒感染,其導致轉(zhuǎn)錄因子和中介體復合物與普通增強子及啟動子形成強大的超級增強子結(jié)構(gòu)并被異常激活,隨后通過影響Wnt、TGF-β、LIF及Ras等信號通路促使癌基因、抗凋亡基因或抑癌基因異常表達,最終促進腫瘤發(fā)生。雖然迄今針對致癌超級增強子的精細結(jié)構(gòu)和致病機理的研究還不夠深入,但是已知的致癌超級增強子的形成機制,還是能為腫瘤預防和治療提供新的思路。例如:發(fā)生在增強子區(qū)域的有害序列變異可以通過廣泛使用的CRISPR基因編輯工具進行修復;轉(zhuǎn)錄因子和中介體復合物的異常激活可以通過一些小分子抑制劑實現(xiàn)靶向抑制。以往有關抗腫瘤藥物的設計主要關注癌基因或抑癌基因突變及其異常激活,但耐藥性的存在及癌基因的低突變頻率是不可忽視的影響因素[115～116]。近年來,隨著表觀基因組學研究的深入及致癌超級增強子的不斷發(fā)現(xiàn),基于表觀遺傳修飾設計的藥物以及針對超級增強子及其相關復合物的小分子抑制劑和基因編輯療法,可能具有更好的抗腫瘤應用前景[117]。