PNAS | 路超团队等揭示组蛋白H3K36M突变促癌机制中的关键因素 ​

责编 | 酶美

染色质异常调控导致癌症发生的机制是当前的研究热点之一。随着近些年来TCGA等大规模肿瘤基因组测序计划的开展，关键染色质调控基因在各类癌症中均发现有频繁突变。然而令研究者意外的是，在几种儿童癌症中发现了大量组蛋白突变的迹象【1-3】。例如，95%的成软骨细胞瘤中存在组蛋白H3上第36位赖氨酸到甲硫氨酸（H3K36M）或赖氨酸到异亮氨酸（H3K36I）突变【2】。由于这些频繁突变的组蛋白位点具有强烈的致癌效应，因此研究者将其称为“致癌组蛋白”（oncohistone）。上述2012年发现致癌组蛋白突变的开创性工作，被Nature期刊评选为“癌症研究领域里程碑”（Milestones in cancer, 2020年）之一。虽然目前致癌组蛋白的研究历程尚短，但已显示出其迫切的研究需求和重要的临床意义。目前，许多研究者正致力于深入解析致癌组蛋白突变的促癌机制，以期早日攻克相关癌症。

近日，美国哥伦比亚大学路超研究组、洛克菲勒大学David Allis研究组以及加拿大麦吉尔大学（McGill University）Jacek Majewski研究组合作，在PNAS杂志上发表了题为 Depletion of H3K36me2 recapitulates epigenomic and phenotypic changes induced by the H3.3K36M oncohistone mutation 的论文，通过结合表型分析和多组学高通量测序的方法首次发现组蛋白H3K36me2修饰水平降低是H3K36M突变促癌机制中的关键因素。该工作拓展了对组蛋白突变在癌症发生过程中调控作用的认识，为与K36M突变有关的癌症治疗提供了新的潜在靶标和临床思路。

路超团队之前的研究表明，虽然人类基因组里的组蛋白编码基因有多个拷贝，但只要有极少数拷贝发生H3K36M突变即可显著抑制对应位点甲基化的整体水平。这其中的秘密就在于，H3K36M突变与H3K36甲基转移酶具有很强的结合效应，二者一旦结合就很难再释放【4】。这也可以理解为这些突变的组蛋白“捕获”了H3K36甲基转移酶，使其无法在全基因组范围内正常行使功能，导致基因组水平的H3K36me2和H3K36me3甲基化信号丢失和其他染色质修饰分布紊乱，丧失调控基因正常表达的能力。

H3K36M突变“捕获”H3K36甲基转移酶引起染色质调控异常模式图。图片来源于Science

该研究进一步探究了H3K36me2修饰水平降低后的染色质环境变化。研究显示，Nsd1/2双敲除株和H3K36M突变株中的H3K27me3修饰在基因组上的分布发生了很大变化。由于H3K36me2修饰丢失，与之拮抗的H3K27me3 “入侵”到了原先H3K36me2修饰域所在的基因间区段，而该区段常常分布有大量转录增强子。研究通过ChIP-seq发现Nsd1/2双敲除株和H3K36M突变株中的部分转录增强子受H3K27me3异常富集的影响而丧失活性，但可通过敲除H3K27甲基转移酶EZH2或添加其抑制剂来“挽救”这些转录增强子的功能。根据染色质环境变化而产生的“破绽”，作者们对几种不同作用机理的抗癌药物进行了测试，结果确认了H3K36M突变株和上述敲除株存在不同的药物敏感性，为寻找H3K36M突变相关癌症的新靶标提供了参考。

H3K36M突变改变染色质修饰环境。图片来源于PNAS

这项研究还发现，Nsd1/2缺失会使细胞产生与H3K36M突变相似的表型。相对于Setd2敲除株与野生型，Nsd1/2双敲除株和H3K36M突变株的基因表达谱相近，且多个与细胞分化有关的通路出现了基因异常表达。研究通过细胞分化诱导实验进一步证明，Nsd1/2双敲除株和H3K36M突变株细胞的分化能力显著下降，说明H3K36M突变通过介导H3K36me2修饰水平降低实现对细胞分化相关基因表达的异常调控。

综合上述发现，研究认为组蛋白H3K36M突变造成的H3K36me2修饰水平降低导致了细胞分化相关基因的异常表达，是其促癌机制中的关键因素。同时，还有一些重要的问题需要更多工作来解决：H3K36M突变对Setd2的抑制作用并不完全，基因组上仍有部分H3K36me3修饰，残留的H3K36me3修饰是否具有功能上的重要性？H3K27me3修饰在H3K36M突变后的染色质环境中扮演了重要角色，尤其是在调控转录增强子活性上，那么目前已获FDA批准的EZH2抑制剂对治疗H3K36M突变相关肿瘤又会有怎样的疗效呢？这些问题的答案将让我们对组蛋白突变的表观遗传调控产生更深刻的理解。

哥伦比亚大学的Kartik Rajagopalan博士、陈晓博士和洛克菲勒大学的Daniel Weinberg博士为该论文的共同第一作者，哥伦比亚大学路超教授、洛克菲勒大学David Allis教授以及麦吉尔大学Jacek Majewski教授为论文共同通讯作者。据悉，陈晓博士专注于系统探索染色质修饰、重塑及相互作用，并计划于今年下半年回国开展独立工作。如有课题合作、技术交流等意向，请联系邮箱：alpha67@163.com。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2021795118

制版人：十一

参考文献

1. Schwartzentruber, J. et al. Driver mutations in histone H3.3 and chromatin remodelling genes in paediatric glioblastoma. Nature 482, 226–231 (2012).

2. Behjati, S. et al. Distinct H3F3A and H3F3B driver mutations defne chondroblastoma and giant cell tumor of bone. Nat. Genet. 45, 1479–1482 (2013).

3. Wu, G. et al. Somatic histone H3 alterations in pediatric difuse intrinsic pontine gliomas and non-brainstem glioblastomas. Nat. Genet. 44, 251–253 (2012)

4. Lu, C. et al. Histone H3K36 mutations promote sarcomagenesis through altered histone methylation landscape. Science. 352, 844-849 (2016)

5. Weinberg, D.N. et al. The histone mark H3K36me2 recruits DNMT3A and shapes the intergenic DNA methylation landscape. Nature. 573: 281-286 (2019).

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