Science：梳理患儿肿瘤细胞的基因组寻求答案
组蛋白翻译后修饰方式出现异常，以及组蛋白修饰位置出现异常都会导致肿瘤发生。
高通量DNA测序技术的快速扩张让我们能够以前所未有的速度和精细度对人体疾病展开遗传学分析，尤其是对罕见的小儿疾病进行全基因组测序(whole-genome sequencing)更是有助于我们对儿童发育，以及多条生化反应信号通路有更基础的认识和了解。实际上，已经有人用全基因组测序方法首次发现了与某种人类疾病相关的组蛋白(一种包裹在DNA外面的蛋白质)突变。弥漫性真性脑桥神经胶质瘤(diffuse intrinsic pontine glioma, DIPG)是一种好发于脑干部位、进展迅速、不可治愈的小儿肿瘤，大约有80%的DIPG患儿都会携带这种组蛋白突变。Lewis等人研究发现，在携带了组蛋白突变的DIPG患儿疾病的发病过程中，多梳蛋白抑制复合体2(polycomb repressive complex 2, PRC2)这种重要的基因表达发育调控元件(developmental regulator)的活性发生了改变。
在 H3F3A(histone H3.3)或HIST1H3B(his-tone H3.1)这两个编码组蛋白H3的基因当中，如果有一个基因的27位赖氨酸突变成了甲硫氨酸，即发生了H3K27M突变，那么携带者就会患上DIPG疾病。组蛋白能够构成真核生物染色质(chromatin)的核心，组蛋白翻译后的修饰过程与多种DNA相关进程有关，比如转录等过程。H3蛋白上的第27 位赖氨酸会在PRC2的作用下发生甲基化修饰，PRC2是一个由多种蛋白组成的复合体，它在人体发育过程中起到了非常关键的转录抑制作用，是人体内必不可少的一种蛋白复合体。因此，研究组蛋白上赖氨酸位点的具体甲基化修饰作用就成为了一大热点。对黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)的研究发现，H3K27修饰是对发育相关基因的表达进行调控的必需机制之一，该位点如果突变成了精氨酸，就会使原本能够被 PRC2抑制的基因激活，并开始表达。在高侵袭性儿科肿瘤DIPG患儿中发现的H3突变更进一步凸显了组蛋白第27位赖氨酸修饰过程与该疾病的关系。
虽然H3K27M突变是一种杂合型突变，即在两个等位基因中只有一个基因拷贝发生了突变，但是DIPG患儿体内的H3K27三甲基化修饰水平和正常的(野生型)H3基因携带者相比还是要低得多，这说明突变明显地抑制了PRC2甲基转移酶(methyltransferase)的活性。实际上，包括Lewis 等人在内的多个研究小组开展的生物医学研究都发现，突变的组蛋白能够与PRC2复合体中的催化活性位点结合，抑制该复合体的催化活性，如图所示。通过对患儿肿瘤细胞进行染色质免疫沉淀及DNA测序研究也证实了这种作用机制。正常情况下，野生型H3蛋白的27位赖氨酸会发生三甲基化修饰，可是在肿瘤细胞里这种甲基化修饰作用被明显地抑制了。不过在对p16Ink4A肿瘤抑制因子等相关位点的抑制过程中也观察到了甲基化修饰水平升高，同时PRC2复合体与染色质相结合的情况发生。这些出乎意料的发现表明，突变的H3K27M的功能要比我们预想的复杂得多，可能不仅仅是让赖氨酸甲基化修饰作用减弱而已，还与 H3K27三甲基化修饰蛋白的基因特异性再分布有关。
组蛋白突变与基因表达的关系。(A)在野生型细胞里，PRC2复合体能够与靶基因结合，使受抑制基因上的H3组蛋白第27位赖氨酸(图中黄色所示)发生三甲基化修饰(图中绿色所示)。(B)如果组蛋白 H3发生了H3K27M突变，那么PRC2复合体就更倾向于与结合在染色质上的H3组蛋白K27M突变肽段(图中蓝色所示)结合，不能对组蛋白上的 H3K27位点进行有效的甲基化修饰，同时染色质的自由性也有所降低。这种结合还会改变PRC2复合体的构象。另外，没有与染色质结合的游离的 H3K27M肽段更加容易与PRC2复合体结合，阻止其与染色质结合。
不过还有一个重要的问题没有得到解答，那就是在DIPG的发病过程中，H3K27M突变究竟是对致病起到决定作用的致病突变(driver mutation)，还是在肿瘤形成之后出现的继发突变(passenger mutation)，抑或是“导航突变(navigator mutation)”。这种突变在DIPG患者中出现的频率如此之高，这说明它一定在病变过程中具有某种功能。可是在小鼠试验中发现，对缺失了具有抑癌作用的p53蛋白的细胞进行转基因操作，使其表达H3K27M突变组蛋白之后并不会让小鼠患上神经胶质瘤(gliomas)。所以我们现在还不能肯定 H3K27M突变就是DIPG疾病发生发展所必需的一个因素。研究还发现，在出现H3K27M突变的同时经常还会伴有p53突变和H3.3伴侣蛋白编码基因ATRX(α-thalassemia X-linked mental retardation protein)的突变，所以H3K27M突变可能起到的是一种协同作用，而不是最重要的致病突变。还有一种可能就是H3K27M突变是在细胞的癌变过程当中被选择出来的，因为这种突变可以避免肿瘤细胞死亡，或者可以消除在细胞癌变过程中出现的其它获得性突变给细胞带来的有害影响。实际上，H3K27去甲基化酶(demethylase)UTX(ubiquitously transcribed tetratricopeptide repeat, X chromosome)发生突变也与细胞增殖能力异常有关。
虽然研究只发现H3K27M突变抑制了PRC2复合体的功能，但是细胞内不依赖PRC2复合体的信号通路也同样受到了影响。H3K27组蛋白主要由UTX蛋白进行脱甲基化处理，UTX蛋白是具有增强子(这是一种DNA元件，能够在发育过程中对基因表达起到组织特异性的调控作用)结合功能的MLL3/4 COMPASS样复合体(MLL3/4 COMPASS-like complexes)的组份蛋白。如果组蛋白H3K27位点发生乙酰化修饰作用(acetylation)，同时还伴有H3K4位点的单甲基化修饰，那么就标志着增强子被激活了，这也说明UTX蛋白会在组蛋白发生乙酰化修饰之前对H3K27位点进行脱甲基化处理。有意思的是，Lewis等人发现，在表达 H3K27M突变组蛋白的细胞里，H3K27位点的乙酰化修饰水平升高了。另外还在成神经管细胞瘤(medulloblastoma)患儿体内发现，UTX蛋白和MLL3/4复合体都发生了突变，而且组蛋白H3K4M肽段对H3K4脱甲基酶——赖氨酸特异性脱甲基酶1、2(lysine- specific demethylases 1 and 2, LSD1/2)具有抑制作用。因此，在DIPG发病过程中，H3K27M可能会与UTX脱甲基酶、H3K27乙酰化酶发生相互作用，增强子的功能也可能会发生改变，这些都是值得我们进一步去研究的问题。
将来如果要对DIPG的发病过程进行分子水平的研究就需要使用动物模型了。不过Lewis 等人在小鼠体内表达外源H3K27M突变组蛋白之后并没有让小鼠患上神经胶质瘤。可是这些实验都是在小鼠出生之后进行的，这提示我们如果在小鼠胚胎发育期间表达H3K27M突变组蛋白有可能会使小鼠患上DIPG。我们知道小鼠H3F3A等位基因在Cre重组酶(recombinase)的作用下可以促使 K27突变成K27M，这是一个非常值得一试的试验。遗传嵌合果蝇也是一个非常有用的系统，可以用来研究突变基因的功能。
为什么 H3K27M突变组蛋白与高度恶性的小儿脑干胶质瘤有这么特异的联系呢?为什么在其它小儿肿瘤或者成人肿瘤中都没有发现H3K27M突变组蛋白的身影呢?这可能是因为PRC2复合体对H3组蛋白的修饰作用主要发生在发育早期，主要发育大脑功能的阶段，也可能是因为其它的组织不能允许出现H3K27M突变。那么为什么在十几个H3基因中只有2种基因发生K27M突变呢?还没有人发现能够编码与H3F3A蛋白同样蛋白的H3F3B (H3.3B)基因有突变的情况发生，这可能是因为编码H3F3A Lys27位点的密码子是AAG，而编码H3F3B Lys27位点的密码子是AAA。所以在H3F3A基因中，只需要突变一个位点，即由AAG突变为ATG就可以完成K27M突变，可是在在H3F3B基因中，却需要突变两个位点，即由AAA突变为ATG才可以完成K27M突变。不过这种密码子假说也只是一种可能而已，因为在10种H3.1编码基因中有6种基因的Lys 27编码密码子都是AAG，所以我们还需要对其它组织里H3.1蛋白的表达情况进行更深入的研究才能更好地解答这个问题。最开始是在H3.3蛋白编码基因和没那么多见的复制依赖(replication-dependent)的H3.1蛋白编码基因里发现K27M突变体的，这说明这可能与细胞周期依赖的染色质组装过程有关。H3组蛋白发生K27M突变之后可能会改变它掺入染色质的功能。在全基因组范围内了解这种突变H3组蛋白参与形成染色质的情况，可能会对研究该蛋白的功能有所帮助。由于还没有在DIPG患儿体内发现突变的PRC2复合体，所以PRC2复合体的正常功能可能也与疾病的发生和发展有关。不过如果是因为PRC2复合体功能出现异常，而不是完全丧失功能，才导致DIPG发生，那么这说明H3K27M突变体也在小儿脑干肿瘤的发生过程中起到了作用。这也提示我们PRC2复合体有可能成为抗癌治疗的靶标分子。
-
企业风采
