Cancer Cell | 癌細胞「躺贏」:表觀遺傳被破壞,不響應應激帶來的選擇優勢

撰文 | 亦

癌症的進化伴隨著細胞選擇,多種癌症中都存在主要的亞克隆譜系,證明存在適應性更強的陽性選擇【1】,然而我們對亞克隆擴張的驅動機制理解得並不充分。在泛癌水平,經典癌症驅動基因的亞克隆改變相對罕見【2】,與之相對,亞克隆突變基因大量富集參與DNA損傷應答的基因、表觀調控子和剪接因子【2,3】。表觀遺傳調控基因是多種癌症類型中突變最多的【4,5】,但是它們的功能尚不清楚。

2022年11月3日,來自英國弗朗西斯克裡克研究所的Paola Scaffidi團隊在Cancer Cell上發表了題為Selective advantage of epigenetically disrupted cancer cells via phenotypic inertia的文章。他們模擬了病人中廣泛存在的表觀遺傳相關突變,發現表觀調控網路的破壞並不促進亞克隆基因型的選擇,而是通過全局轉錄組調控來阻止細胞響應應激,從而增加癌細胞對於不適宜環境的耐受度,促進抵抗壓力亞群的出現。

作者首先在6個泛癌資料集中探測了表觀調控網路中超過300個基因的狀態,鑑定了60,907個非同義突變,其中約1/3是功能缺失性突變(LOF mutations)。與高變異等位基因頻率(VAF)改變相反,表觀調控網路的突變整體呈現低VAF,提示很多腫瘤可能只在某一群細胞中有這些變異。為找出腫瘤進化後期選擇的亞克隆突變,作者分析了100例非小細胞肺癌NSCLC)的多區域測序資料【6】,發現62%的樣本至少有一個基因有表觀調控基因的非同義突變,但是沒有特別明確地影響某一個基因或是功能,說明是整合調控網路中廣泛的破壞。惡性膠質瘤和腎腫瘤中也觀察到類似現象,亞克隆突變影響一系列功能各異的表觀遺傳調控因子,最終收斂導致相似的優勢表型。

於是作者開始尋找能夠解釋這一突變模式的相關性狀。生理學上,表觀機制一般用於調節細胞對於環境的響應,那麼表觀調控的破壞是否影響癌細胞與腫瘤微環境(TME)的互作呢?作者選取了兩種癌症類型——起源於上皮的NSCLC和起源於黑素細胞的黑色素瘤,獲取了對應病人來源異種移植(PDX)模型的細胞,分別分離出克隆群體進行培養。他們發現在葡萄糖耗盡後,細胞群體並沒有被抑制而是達到了一個穩定的狀態,極少的抗性抵抗細胞在延長培養之後又恢復了增長。

為了模仿更大規模的LOF突變,作者利用sgRNA文庫系統失活兩癌症模型中表觀遺傳相關基因,分別在非干擾和谷氨醯胺剝奪的條件下培養敲除(KO)細胞群體。作者發現KO群體在壓力條件下的適應性顯著增強,且這一有利表型出現在較晚時間點,即隨著時間增加,其適應性可能會更強,且這一現象在多種癌症類型中都保守。進一步的實驗表明適應性增強是由於應激後存活細胞的頻率增加,在低氧和酸性條件下也是如此,但在應對DNA損傷時就沒有明顯差異,說明表觀的破壞主要影響的是細胞對於環境的應對能力。

接下來,作者想知道在與野生型細胞競爭時,表觀遺傳破壞的細胞表現如何。他們將KO群體與野生型共培養(營養和氧氣有限),利用貝伐單抗(抑制血管生成的抗體)進一步施加環境壓力,結果顯示KO群體擁有絕對的競爭優勢,比例高達95%,而對照組腫瘤中KO和野生型細胞比例均衡。至此,結合細胞、小鼠模型和病人證據,作者發現表觀遺傳被破壞的細胞,忍受環境壓力能力增強,促進自身在癌症進化中的選擇。

那麼這一現象背後的分子機理是什麼呢?作者發現表觀遺傳抑制劑加入和移除後,壓力抗性表型會顛倒,說明抗性不是由基因編碼的。於是作者想到其他兩種可能,其一,表型可塑性,即細胞狀態的轉換之間的轉變,可能是獲得一種更有利的細胞狀態或是從應激態逆轉為初始態。其二,表型惰性,即細胞不能通過停止增殖或激活凋亡來對不利條件做出響應,其在短期內承受壓力的能力就會增強,從而克服短暫挑戰和獲得二次適應性性狀的機會就會增加。

通過對壓力處理前後細胞轉錄組的分析,熒光共振能量轉移和實時成像,作者發現細胞狀態的轉換是對環境變化的直接響應,發生在細胞增殖和活性受影響之前。不同時間點的單細胞RNA分析顯示抗性細胞並未激活促使其轉變為適應狀態的相關程序,且早期應激基因呈現出漸進式變化。以上都說明表觀破壞的細胞壓力抵抗不源於細胞狀態的轉換。而細胞對於不同類型壓力的耐受說明它們無法調節基因表達程序以應對不利條件,因此維持高水平的生長,這一「鈍感」使得耐受性增強。

進一步地,作者想知道環境壓力是如何影響轉錄活性以及表觀控制的破壞是如何改變這一響應的。他們通過ATAC-seq發現KO群體啟動子和增強子區域的染色質重塑存在缺陷,尤其是在適應性基因中染色質開放度很高,說明大量不同表觀調控子的失活是通過染色質水平的調控,即無法實現染色質結構的重組裝而轉變為表型惰性的。在此基礎上,作者發現壓力抵抗的細胞對兩個CDK9抑制劑和BET抑制劑都非常敏感,提示一種靶向壓力提抗細胞的治療策略。

綜合來看,

綜合來看,本文發現表觀遺傳遭到破壞的細胞對於環境中的壓力錶現出表型惰性,在轉錄水平躺平不做出響應調節,以此獲得競爭優勢,提高耐受度,促進腫瘤生長。

原文連結:

https://doi.org/10.1016/j.ccell.2022.10.002

製版人:十一

參考文獻

1. Vendramin, R., Litchfield, K., and Swanton, C. (2021). Cancer evolution: Darwin and beyond.EMBO J.40, e108389. https://doi.org/10.15252/embj. 2021108389.

2. Dentro, S.C., Leshchiner, I., Haase, K., Tarabichi, M., Wintersinger, J., Deshwar, A.G., Yu, K., Rubanova, Y., Macintyre, G., Demeulemeester, J., et al. (2021). Characterizing genetic intra-tumor heterogeneity across 2, 658 human cancer genomes.Cell184, 2239–2254.e39. https://doi.org/10.1016/j. cell.2021.03.009.

3. Jamal-Hanjani, M., Wilson, G.A., McGranahan, N., Birkbak, N.J., Watkins, T.B.K., Veeriah, S., Shafi, S., Johnson, D.H., Mitter, R., Rosenthal, R., et al. (2017). Tracking the evolution of non-small-cell lung cancer.N. Engl. J. Med.376, 2109–2121. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1616288.

4. Shen, H., and Laird, P.W. (2013). Interplay between the cancer genome and epigenome.Cell153, 38–55. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.03.008.

5. Lawrence, M.S., Stojanov, P., Mermel, C.H., Robinson, J.T., Garraway, L.A., Golub, T.R., Meyerson, M., Gabriel, S.B., Lander, E.S., and Getz, G. (2014). Discovery and saturation analysis of cancer genes across 21 tumour types.Nature505, 495–501. https://doi.org/10.1038/nature12912.

6. Jamal-Hanjani, M., Wilson, G.A., McGranahan, N., Birkbak, N.J., Watkins, T.B.K., Veeriah, S., Shafi, S., Johnson, D.H., Mitter, R., Rosenthal, R., et al. (2017). Tracking the evolution of non-small-cell lung cancer.N. Engl. J. Med. 376, 2109–2121. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1616288.

相關文章

癌症會遺傳嗎?會!這 8 種要格外警惕

癌症會遺傳嗎?會!這 8 種要格外警惕

癌症到底遺不遺傳?家有親屬患癌,我會不會也遺傳到這種疾病? 新聞中,經常出現「一家幾口人同時患癌」的訊息: 圖片來源:網路截圖 但上網一查,...