2020年，來自海德堡兒童癌癥中心Marius Wernig團(tuán)隊和斯坦福大學(xué)Stefan M. Pfister團(tuán)隊共同在Cancer Cell雜志上發(fā)表了一篇題為H3.3-K27M drives neural stem cell-specific gliomagenesis in a human iPSC-derived model的文章杨拐。
這項研究基于人體誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的模型，證明了組蛋白H3.3-K27M突變能夠驅(qū)動神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槟z質(zhì)瘤細(xì)胞帆阳，且細(xì)胞的遺傳特征和生物學(xué)表現(xiàn)都與人類彌漫性中線腦膠質(zhì)瘤十分類似屋吨，同時還指出K27M突變是通過作用于二價染色質(zhì)(bivalent chromatin)發(fā)揮作用蜒谤。
背景
- 兒童高級別腦膠質(zhì)瘤在兒童腦腫瘤中占10-15%至扰，預(yù)后常不良，致死率較高阶祭。目前并無對應(yīng)的治療方式。
- 在兒童高級別腦膠質(zhì)瘤中濒募，約有一半在腦干處呈現(xiàn)彌漫性生長的特點，主要位于橋腦處。這類腫瘤被定義為彌漫性內(nèi)生型橋腦膠質(zhì)瘤(Diffuse intrinsic pontine glioma, DIPG)疫稿。
- 據(jù)統(tǒng)計，80%的DIPG具有H3K27M突變舀凛，并通常伴有TP53突變（77%）和PDGFRA擴(kuò)增途蒋。H3K2 7M主要發(fā)生在組蛋白H3F3A的異構(gòu)體上，并具有廣泛的DNA低甲基化特征号坡。了解DIPG產(chǎn)生的機(jī)制有助于藥物的研制和臨床應(yīng)用，并進(jìn)一步對DIPG進(jìn)行精確的分子分型以指導(dǎo)臨床腌紧，改善預(yù)后。
- 但目前H3K27M致瘤的機(jī)制仍不明確壁肋。此前的研究發(fā)現(xiàn)籽慢，在鼠類神經(jīng)祖細(xì)胞(Neural progenitor cells, NPCs)以及異體移植的人類胚胎干細(xì)胞(Embryonic stem cell, ESC)中外源表達(dá)K27M組蛋白H3.3，同時抑制TP53表達(dá)并增強(qiáng)PDGFRA的表達(dá)箱亿，能夠?qū)е履z質(zhì)瘤樣腫瘤。類似的察净，在神經(jīng)干細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞中通過Nestin驅(qū)動盼樟，Cre誘導(dǎo)，內(nèi)源性表達(dá)H3.3-K27M并同時敲除TRP53晨缴，能夠?qū)е翫IPG樣腫瘤產(chǎn)生。但是筑悴，鼠類神經(jīng)祖細(xì)胞分群與人體尚存在諸多差異，因此基于鼠類神經(jīng)祖細(xì)胞的研究結(jié)果與DIPG真實的特征仍存在一定差異阁吝，具有一定的局限性。
結(jié)果
- 首先装盯，研究者分別在H3.3-K27M突變的DIPG細(xì)胞和原始的神經(jīng)干細(xì)胞中過表達(dá)K27M突變的H3（分為H3.1和H3.3兩種亞型）甲馋。盡管在H3K27me3水平在兩組中都顯著下降埂奈，但只有H3.3-K27M過表達(dá)能夠增加DIPG來源細(xì)胞的調(diào)亡水平定躏，并促進(jìn)原始神經(jīng)干細(xì)胞的增殖窄坦。因此酝静，研究推測名斟，H3.3的突變介導(dǎo)了細(xì)胞向膠質(zhì)瘤的轉(zhuǎn)變弧轧，而之后的研究也主要聚焦在組蛋白H3.3亞型突變的效應(yīng)上矾削。
- 由于外源性過表達(dá)突變型H3與細(xì)胞真實的遺傳特征存在差異，因此研究者進(jìn)一步通過CRISPR/Cas9 技術(shù)誘導(dǎo)同源重組欲间，兩個健康人體中獲得的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中內(nèi)源表達(dá)H3断部，并根據(jù)Cre選擇性表達(dá)突變型和野生型組蛋白H3.3，真實重現(xiàn)了細(xì)胞發(fā)生組蛋白K27M突變后的生物學(xué)效應(yīng)蝴光。研究進(jìn)一步證實了H3.3-K27M的突變確實增加了神經(jīng)干細(xì)胞(Neural stem cell, NSC)和少突膠質(zhì)祖細(xì)胞(Oligodendrocyte progenitor cell, OPC)的增殖和凋亡水平。
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鑒于H3-K27M對于神經(jīng)干細(xì)胞與少突膠質(zhì)祖細(xì)胞的相似效應(yīng)趁耗，研究者希望能夠回溯DIPG瘤細(xì)胞究竟是起源于哪個分化的階段疆虚？研究者分別在iNSC和iOPC的細(xì)胞中導(dǎo)入了H3F3-WT满葛，H3F3-K27M罢屈，H3F3-WT/shTP53，H3F3-K27M/shTP53缠捌，并將其移植入NSG小鼠中。只有共轉(zhuǎn)H3F3-K27M/shTP53的iNSC在小鼠的腦中形成了惡性腫瘤谊却，其分子病理特征與DIPG十分類似十嘿≡浪基于DNA甲基化芯片數(shù)據(jù)的無監(jiān)督聚類分析發(fā)現(xiàn)绩衷，成瘤細(xì)胞與K27M突變的高級別腦膠質(zhì)瘤更為相似激率。基于此招盲，研究者認(rèn)為嘉冒，DIPG來源于發(fā)生H3K27M突變和TP53失活的神經(jīng)干細(xì)胞。
Figure.png - 此前顶籽，其他研究也發(fā)現(xiàn)银觅，DIPG瘤細(xì)胞具有類似少突膠質(zhì)祖細(xì)胞(OPC)的表達(dá)譜特征礼饱，對本研究的結(jié)論做出了一定挑戰(zhàn)究驴。而本文也對此做了解釋——H3.3-K27M突變同樣影響了細(xì)胞命運決定相關(guān)基因的表達(dá)，使NSC也能表達(dá)類似OPC的分子標(biāo)志物蝴韭，從而進(jìn)一步向OPC進(jìn)行分化熙侍。
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研究還發(fā)現(xiàn)摧找，H3.3-K27M能夠降低iPSC活力牢硅，削弱多能性重編程，有趣的是减余，EZH2抑制劑能夠一定程度上抑制H3.3-K27M的效應(yīng)。而從K27M突變前后轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)如筛，H3K4me3/H3K27me3多位于表達(dá)存在差異基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(Transcription start site, TSS)位點附近。而表達(dá)H3.3-K4M組蛋白能夠增加野生型iPSCs的凋亡水平杨刨，而在H3K27M的iPSCs中卻并無此效應(yīng)擦剑。這些發(fā)現(xiàn)提示著H3K27M致瘤效應(yīng)可能建立在H3K4me3和H3K27me3的協(xié)同作用上，通過二價染色質(zhì)(bivalent chromatin)調(diào)控有關(guān)基因表達(dá)來實現(xiàn)惠勒。二價染色質(zhì)的特征是同時存在H3K4me3和H3K27me3的修飾，在胚胎干細(xì)胞中普遍存在涂臣，被認(rèn)為是平衡型譜系控制的發(fā)育基因售担，可在胚胎發(fā)生期間快速激活，同時在沒有激活提示的情況下保持轉(zhuǎn)錄抑制狀態(tài)族铆。
Figure.png -
進(jìn)一步的CHIP-seq手段則顯示骑素，在未分化細(xì)胞中炫乓，H3K4me3/H3K27me3與組蛋白H3.3在關(guān)鍵發(fā)育調(diào)控基因存在重合献丑，且其轉(zhuǎn)錄水平與H3.3和H3K27me3的水平密切相關(guān)。
Figure.png - 研究者猜測箩做，除了抑制H3K27位點的三甲基化進(jìn)而促進(jìn)活躍轉(zhuǎn)錄基因的表達(dá)之外妥畏，H3.3-K27M還能夠從準(zhǔn)備狀態(tài)(poised state)激活部分維持干性的基因安吁，促使干細(xì)胞向腫瘤進(jìn)行轉(zhuǎn)變燃辖。后續(xù)的研究也證明了這一點，H3.3-K27M能夠特異性地促進(jìn)PDGFRA基因的表達(dá)黔龟，并破壞分化過程以維持細(xì)胞干性。
總結(jié)
- 這篇文章從腫瘤發(fā)生的角度巍棱，闡述了H3.3-K27M這一表觀遺傳學(xué)的事件對神經(jīng)干細(xì)胞的影響蛋欣，并在其膠質(zhì)瘤化的過程中起到了關(guān)鍵作用。這一發(fā)現(xiàn)有助于我們早期診斷DIPG陷虎，并對DIPG患者進(jìn)行分層治療，個性化治療夭禽。
