徐国泰博士等揭示ER阳性乳腺癌耐药的表观遗传学机制
据最新发表于CA Cancer J Clin杂志的全球癌症数据统计，全球每年乳腺癌新发病例约210万，死亡病例62.7万，在所有导致死亡的癌症类型中排名第二【1】。乳腺癌细胞可以依据其表达雌激素受体(Estrogen receptor, ER)、孕激素受体 (Progesterone receptor, PR) 的情况以及表皮生长因子受体2(Epidermal growth factor receptor 2, HER2) 基因的扩增水平分为ER阳性 (ER+)，HER2扩增型(HER2-amplified)以及三阴性 (Triple-negative)乳腺癌。
2020年1月13日，美国纪念斯隆凯特琳癌症研究中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center，MSKCC) 的科研团队在Nature Genetics上发表文章ARID1A determines luminal identity and therapeutic response inestrogen-receptor-positive breast cancer，发现并阐述了SWI/SNF复合物关键组分ARID1A缺失调控内分泌疗法敏感度的新机制【2】。徐国泰博士和生物信息学家Sagar Chhangawala博士为文章的共同第一作者，Christina Leslie博士, José Baselga博士(现任阿斯利康制药公司执行副总裁) 以及Eneda Toska博士为文章的共同通讯作者。
ER和配体雌激素结合后可以激活一系列基因转录，对于维持细胞的正常生理活动起着关键作用。但是，过度活化的ER通路可能会使细胞发生恶性转化。70%以上的乳腺癌都是 ER+，而这些肿瘤主要是乳腺管腔细胞 (Luminalcell) 来源的。而另一方面，乳腺组织基底部细胞(Basal cell) 在受到癌驱动基因影响而癌变后,主要产生ER阴性(ER-)的肿瘤 (图1)。
图1. 管腔细胞来源的ER+肿瘤和基底部细胞来源的ER-肿瘤。
抗ER或者抗雌激素的内分泌疗法(Endocrine therapy) 是针对ER+乳腺癌的首选疗法，目前临床上常用的内分泌疗法包括ER功能的修饰剂他莫替芬(Tamoxifen)，用于阻断雌激素合成的芳香酶抑制剂(Aromatase inhibitor)，以及选择性ER降解剂氟维司群(Fulvestrant)。尽管这些疗法的起始临床效果很好，但是最终几乎所有的患者还是会产生耐药，尤其是晚期出现肿瘤转移的病人预后较差。然而，目前我们对临床上相关耐药的发生机制还依然很不了解。由于ER+乳腺癌发病率极高，而目前还没有较好的替代疗法，因此研究内分泌疗法的耐药机制对更加科学合理地应用本疗法以及设计新的治疗方案都具有重要的意义。
在同一研究组前期发表于Cancer Cell的研究中，研究人员在MSKCC深度分析了大约1200例ER+乳腺癌病人(600例内分泌治疗抗药性肿瘤vs. 600例未治疗肿瘤)的外显子测序以及拷贝数变异数据，发现一系列与内分泌疗法敏感度高度相关的关键基因。为了理解这些机制，研究人员将抗性肿瘤分为四组：1)具有ESR1(ER-coding gene)突变的肿瘤；2)具有 MAPK/ERK信号过度活化的肿瘤；3)具有表观遗传 (Epigenetics，包括转录因子和转录调节因子)改变的肿瘤；4)其他位置因素的肿瘤【3】。表观遗传机制是指在基因的DNA序列没有发生改变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化比如DNA甲基化和染色质构象变化，并最终导致了表型的变化。
为了研究表观遗传机制如何介导了ER+乳腺癌对内分泌疗法耐药，研究人员主要在以下几个方面进行了研究：
1）设计并优化了针对表观遗传基因组的sgRNA文库，通过CRISPR/Cas9介导的表观遗传基因组敲除文库筛选，鉴定出ARID1A 缺失可能会影响内分泌治疗药物Fulvestrant的敏感度(图2)。通过体外和体内试验，证实中验证出ARID1A缺失可以对Fulvestrant产生耐药。尤为重要的是，分析MSKCC的ER+乳腺癌患者数据分析显示，ARID1A在ER+乳腺癌中有6%的变异几率，并且研究人员发现携带ARID1A缺失性突变的患者对Fulvestrant的无进展生存期 (Progression-FreeSurvival) 较ARID1A野生型 (ARID1A wild-type) 患者显著下降。
图2.CRISPR/Cas9介导的表观遗传基因组敲除文库筛选影响内分泌疗法敏感度的基因。
2） ARID1A是依赖ATP的染色质重塑 (Chromatinremodeler) SWI/SNF复合物的一种关键组分，该复合物的异常可导致核小体位置和结构的变化，引起染色质变化，改变染色质的开放性(Chromosome accessibility)。通过染色质免疫共沉淀-测序技术 (ChIP-seq)，研究者发现SWI/SNF复合物中的两个关键组分BRG1和BAF155在ARID1A敲除 (Knockout)的细胞中不再能被募集到染色质上，提示ARID1A基因对于该复合物在染色质上的募集形成发挥了关键作用。研究人员进一步通过染色质开放性测序方法(ATAC-seq)，发现ARID1A缺失引起SWI/SNF的染色质重塑功能减弱，导致染色质开放性的显著下降。
3）转录因子序列分析(Motifanalysis)发现这些ARID1A缺失引起的染色质闭合区域正是ER，FOXA1 和GATA3等转录因子与染色质结合并发挥转录活性的区域。FOXA1和GATA3作为先锋转录因子(Pioneertranscription factors)，可以结合致密的染色质区域并促进其开放，而染色质开放有助于随后招募 ER和其他调节蛋白，对于ER转录活性的活化和维持ER+管腔细胞癌的命运(Luminalcancer cell lineage)是必需的。
4）通过ChIP-seq和全转录组测序(RNA-seq)进一步研究证实，ARID1A缺失导致ER，FOXA1 和GATA3与靶染色质区域结合能力的下降，从而引起ER转录活性的下降，进而使癌细胞从ER+的管腔样细胞通过谱系重编程（Celllineage switching）转变为ER-的基底样癌细胞(Basal-likecancer cell)。这一转变使得癌细胞对ER的依赖性降低，从而产生对靶向ER的内分泌疗法的耐药。研究人员同时也通过RNA-seq方法发现携带ARID1A缺失性突变的病人相较于ARID1A野生型病人更接近于ER-的基底样癌细胞特性，从而进一步证实了ARID1A对维持ER+管腔细胞癌的命运这一分子机制的广泛性。
5）最后，利用上述同样方法，研究人员发现敲除SWI/SNF复合物中其他组分，如SMARCB1或者SMARCE1，也可导致相似表型。这一发现揭示了SWI/SNF复合物介导的表观遗传机制在维持ER+管腔样乳腺癌特性和调节内分泌治疗的敏感度中的重要作用 (图3)。
图3. SWI/SNF复合物参与维持ER+管腔样乳腺癌特性和调节内分泌治疗的敏感度。
根据MSKCC和许多其他中心的临床数据，ER+的管腔型肿瘤患者中有大约20%在经历了长期的内分泌疗法治疗后出现了基底样的特征,而ER-基底样肿瘤的表现就是不依赖ER的肿瘤进展和对内分泌疗法耐药【4】。此项研究揭示了SWI/SNF复合物中的一些组分的改变可能是这一临床现象的原因之一，即SWI/SNF复合物通过ARID1A和其他组分来调控染色质开放性和转录因子活性这一表观分子机制来维持ER+管腔样乳腺癌的特性和内分泌治疗的敏感度。
参考文献
1. FreddieBray, et al. Global CancerStatistics 2018. CA: A Cancer Journal for Clinicians, 2018.Guotai.
2.Xu#,SagarChhangawala#, et al. Nature Genetics, 2020.
3. Pedram Razavi#,Matthew Chang#, et al. Cancer Cell, 2018.
4. LindaSofie Lindström, et al. Journal of Clinical Oncology, 2012.
