Science揭示癌症表觀遺傳新機制

生物通報道   在細胞核中，染色體DNA與稱作為組蛋白的結構蛋白緊密結合，生物學家們把這種DNA—蛋白質混合物叫做染色質。直到大約20年前，組蛋白都被視作是核「夥伴」，是DNA鏈環繞的包裝物質。而近年來，生物學家們大大增進了對DNA/組蛋白互作支配基因表達機制的理解。

2012年，來自多個研究機構的研究人員研究了來自一些癌症患者的基因組序列由此震動了「染色質世界」，當時他們獨立報告稱發現在侵襲性兒科腦腫瘤中編碼組蛋白H3.3的基因存在突變。這一研究發現是驚人的，因為在此之前研究人員從未將組蛋白突變與人類疾病關聯到一起，更不用說一種致命的腫瘤。隨著而來世界各地的癌症研究人員競相報道，發現了一些組蛋白突變有可能促進腫瘤發生的機制（延伸閱讀：Science新文章解析癌症表觀遺傳 ）。

現在，來自Stowers醫學研究所的一篇論文報道稱研究人員構建出了第一種動物模型，在果蠅中評估了兩種不同的組蛋白H3.3突變的分子效應。由Ali Shilatifard博士領導的這一研究小組將結果發布在8月29日的《科學》（Science）雜誌上，強有力地表明了這些突變實際上驅動了癌症，並鑒別出了有可能為癌症治療靶向的互作夥伴蛋白和信號通路。

由於DNA序列突變使得蛋白質中的一個正常賴氨酸殘基（K）被甲硫氨酸(M)所替代，分子生物學家們將這些突變標識為「K-to-M」。在兒科腫瘤中，K-to-M突變發生於組蛋白H3.3的第27位賴氨酸殘基(K27)。研究人員認為，小部分損傷蛋白質的存在干擾了稱作為PRC2的大型抑制子複合物。通常情況下，PRC2發揮酶作用給組蛋白賴氨酸裝飾上一個或多個甲基，通過將相關的DNA壓縮為難以接近的線圈由此導致了基因表達沉默。

Shilatifard說：「過去科學家們就知道在某些癌症中如PRC2一類的甲基化酶存在突變。在這裡令人驚訝地是發現了一個拷貝的組蛋白H3基因發生突變與癌症相關。H3是PRC2修飾的蛋白之一。為了弄清楚這種情況發生的機制，我們開發出了一種體內模型在一些我們可以研究的系統中探究這一過程。」

研究小組首先構建了一種模擬K27-to-M突變的組蛋白H3.3版本，隨後將構造體導入果蠅胚胎組織中，在活體果蠅中生成了這種受損的蛋白。利用識別甲基化賴氨酸的一些抗體，他們發現就和喪失PRC2阻抑蛋白一樣，一個拷貝生成的突變蛋白就足以降低正常組蛋白H3.3 K27位點的整體甲基化水平。當研究人員構建出相似的第9位賴氨酸(K9) K-to-M突變體時，他們看到了類似的結果。在體內對H3K27和H3K9突變體進行分析證實了，組蛋白H3.3中的K-to-M突變抑制了關鍵阻抑蛋白PRC2，不過尚未明確其發生的機制。

論文的共同第一作者Marc Morgan 博士說：「像這樣的單氨基酸變化是否會改變組蛋白H3.3與其他蛋白質的互作方式是一個問題。這種突變體有可能要麼丟失要麼就獲得了什麼。」為了確定它，該研究小組與Stowers蛋白質組中心合作，利用質譜法比較了與正常組蛋白H3.3和K-to-M突變體的一些因子。

分析結果揭示，突變組蛋白的存在整體上抑制了組蛋白與一些疑似阻抑蛋白的互作。在Morgan說出「Aha!」一詞的瞬間，他們檢測出了脫甲基酶KDM3B與組蛋白H3K9突變體之間混亂的關聯。「這表明這些突變體不適當地將一種脫甲基酶拖到了染色質上，隨後清除了周圍組蛋白中的一些甲基化標記，」Morgan說。

甲基化標記的喪失使得附近的一些基因得以表達。為了證實這一點，該研究小組利用了一種果蠅染色方法使得實驗者能夠成像整個組織中一些抑制基因的受影響的狀況。就像H3K9突變體表達一樣，KDM3脫甲基酶表達使得唾液腺一類的組織中基因表達脫抑制。這支持了下列觀點：K-to-M突變招募了一種脫甲基化酶（如KDM3B）使得附近H3.3蛋白K9殘基上的染色質脫甲基化，在那裡它有可能解開染色質，使得本該沉默的一些基因激活。

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這有可能通過多種方式引起了癌症。「一種可能是當存在這種突變時，通常被第9位賴氨酸殘基沉默的一些癌基因有可能脫去了抑制，」論文的共同第一作者Hans-Martin Herz博士說。但Herz對解釋這些結果持謹慎態度，因為不同於K27突變，K9突變還未報道與癌症相關。

有趣的是，近期其他的研究人員報道在軟母細胞瘤中發生了一種不同的K-to-M突變（在組蛋白H3.3的第36位殘基）。儘管對於K-to-M突變為一種特殊的癌症所特有的原因尚不清楚，Shilatifard說毫無疑問它們在腫瘤發生中發揮了中心而非旁觀者作用。「在其他的癌症中有可能存在一些功能未知的K-to-M突變。我們的研究工作使得我們能夠鑒別出與果蠅中染色質信號傳導相關的一些作用分子，並將這些研究結果應用於人類細胞。」

（生物通：何嬙）

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Histone H3 lysine-to-methionine mutants as a paradigm to study chromatin signaling

Histone H3 lysine27-to-methionine (H3K27M) gain-of-function mutations occur in highly aggressive pediatric gliomas. We established a Drosophila animal model for the pathogenic histone H3K27M mutation and show that its overexpression resembles polycomb repressive complex 2 (PRC2) loss-of-function phenotypes, causing derepression of PRC2 target genes and developmental perturbations. Similarly, an H3K9M mutant depletes H3K9 methylation levels and suppresses position-effect variegation in various Drosophila tissues. The histone H3K9 demethylase KDM3B/JHDM2 associates with H3K9M-containing nucleosomes, and its misregulation in Drosophila results in changes of H3K9 methylation levels and heterochromatic silencing defects. We have established histone lysine-to-methionine mutants as robust in vivo tools for inhibiting methylation pathways that also function as biochemical reagents for capturing site-specific histone-modifying enzymes, thus providing molecular insight into chromatin signaling pathways.

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