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Plus深读 | 表观遗传抗肿瘤新靶点:BET抑制剂相关新通路

23Plus  · 公众号  · 生物  · 2017-10-19 07:00

正文

编者按

JQ1是一类BET(bromo and extra C-terminal)蛋白抑制剂(BET inhibitor);BET inhibitor能够通过调节表观基因组,影响一大批基因的功能,在多种疾病中都起到重要作用。正因为BET inhibitor的广泛作用,已经有多种疾病特别是肿瘤已有进行中的JQ1等BET inhibitor的临床实验,比如:多种淋巴瘤(Lymphoma),骨髓瘤(Myeloma),急性白血病(Acute Leukemia),骨髓纤维化(Myelofibrosis)等等(https://www.clinicaltrials.gov)。关于BET蛋白以及BET inhibitor控制发育以及疾病治疗的原理,也已经有了许多报道,认为与PI3K激酶途径、MYC等原癌基因途径等有密切关系[1,2]。



本文主要贡献在于,将BET家族蛋白(如BRD4等)和BET inhibitor(如JQ1等)与Hedgehog(Hh)信号通路直接联系起来,发现其对Gli1、Gli2等关键基因转录的直接调节;并由此衍伸到JQ1对于所有Hh异常引发的肿瘤的治疗作用。传统Hh异常肿瘤的治疗手段基本基于SMO抑制剂,但由于SMO位于Hh通路中较上游位置,因此许多其他蛋白的突变并不能被SMO抑制剂影响,造成药效减弱甚至无效。JQ1这个新功能的发现一方面提供了这类肿瘤的有效治疗手段,另一方面进一步拓宽了JQ1的功能和适应症。


可以设想,表观遗传调控本身就是在更广阔、更多维层面上的调控,相对于传统转录因子、信号通路等,少数甚至一个表观遗传因子的改变,常常会导致一大批基因和通路的变化。相应的,利用表观遗传学进行药物开发、疾病检验,大概率会得到“一药治多症”的神奇效果。


涉及到的细胞系:

Sufu−/− mouse embryonic fibroblasts (MEFs):Sufu敲除

Hh-Light2:其中Gli2过表达

SmoWT-MB,Med1-MB: autochthonous medulloblastomas

SmoD477G-MB:SMO抑制剂GDC-0449和LDE225不敏感的medulloblastoma cells

RCMB025:SUFU突变的medulloblastoma cells

CHB_ATRT1:SMARCB1缺失导致GLI1转录水平下降的atypical teratoid rhabdoid tumor (ATRT) cells

SU_ATRT2:SMARCB1缺失导致GLI1转录水平下降的atypical teratoid rhabdoid tumor (ATRT) cells

RCMB018:MYCN水平增强的medulloblastoma cells

抑制剂:

BET inhibitor:JQ1

SMO inhibitors:GDC-0449,LDE225,SANT-1

研究背景及内容概括:

Hedgehog(Hh)信号通路能够直接调控细胞增殖、分化和凋亡,在机体生长、发育和疾病发生等一系列生物学过程中起到关键性作用,与肿瘤发生和发展也存在密切的关系,已经发现多种恶性肿瘤的发生是由于Hh通路的异常[3-4]。因此,针对Hh通路的药物是癌症治疗的重要手段之一。这些靶向Hh的药物大部分是Hh通路中蛋白Smoothened(SMO)的抑制剂。但是信号转导角度上来看,SMO是Hh通路中相对上游的调控蛋白;对于位于SMO下游的基因突变诱发的癌症,单纯靶向SMO的药物将不会起作用,因此需要寻找能够在更下游影响Hh通路活性的靶标和相应药物。

备注: 经典的Hh通路,从上游开始,SHH/IHH/DHH(sonic hedgehog,Indian hedgehog,desert hedgehog)可以结合细胞表面的受体PTCH1(patched 1);未被结合的PTCH1会结合并抑制SMO(G蛋白偶联受体);自由的SMO则会促进GLI2入核启动GLI1的转录;GLI1和GLI2能够激活Hh下游基因(比如MYCN、CCND1等)的转录和表达。这一过程中也存在另外一些蛋白的参与,比如SUFU可以抑制Hh信号传递。


BET(bromo and extra C-terminal)家族蛋白BRD2/3/4都能够识别组蛋白乙酰化(H3K27Ac)这一转录激活型修饰,并与转录延伸相关蛋白P-TEFb相互作用,同时促进RNA聚合酶II(Pol II)的磷酸化,进而激活下游基因的转录 [ 5-6]。研究者证明BRD4能够直接结合Gli1和Gli2的启动子区域、调控其转录。JQ1是BET蛋白的特异性小分子抑制剂,能够抑制BRD4蛋白对Gli1/2的结合及转录激活。相应的,在Hh通路水平过高诱发的肿瘤病人和细胞系中,JQ1能够通过抑制Hh信号水平,抑制恶性肿瘤的发生和发展。总之,研究者将BET蛋白与Hh通路水平调节、以及肿瘤发生联系起来,并证明了BET蛋白的抑制剂能够作为Hh信号异常引发的肿瘤治疗中,传统SMO抑制剂类药物的补充、以及新的靶向药物候选。


文 章 内 容

1:BRD4激活Gli1、Gli2等基因的启动子活性,促进Hh通路基因表达和功能


Shh和SAG(Smoothened agonist)都是能够激活经典Hh通路的配体,添加后会显著促进Gli1、Gli2、Ptch1等基因的转录水平。利用Gli1启动子接Luciferase报告基因检测Gli1启动子活性,,研究者证明BRD4抑制剂JQ1能够抑制Gli1启动子活性(Fig.1A)。相应的,Gli1、Gli2、Ptch1等Hh通路相关基因表达水平和蛋白水平也会相应下降(Fig.1B-D)。Brd4是JQ1的靶蛋白中的一个,利用shRNA敲除Brd4同样会导致Gli1启动子活性下降、以及相应的下游基因RNA水平下调(Fig.1E-F)。


研究者进一步在动物体内水平检验JQ1对Hh通路的抑制作用。斑马鱼中Ptc2也是经典的Hh通路蛋白,受到Gli1蛋白的转录水平调控。利用Ptc2::GFP构建的转基因斑马鱼可以作为Hh报告系统。如Fig 1G,JQ1处理能够导致斑马鱼体内Ptc2水平下降。Hsp70l启动子启动Shha过表达的转基因斑马鱼中,Shha水平异常增高导致眼部畸形,因此也常常用来作为Hh通路的报告系统。JQ1处理转基因斑马鱼会部分回复眼部畸形表型,即Hh通路水平过高的表型(Fig.1H)。

Fig.1 BRD4促进Hh通路蛋白表达

2:BRD4结合在Gli1和Gli2的启动子区域,并且抑制剂JQ1能够抑制这种结合


首先研究者利用两个细胞系,进一步分析了BRD4、BET抑制剂JQ1与Gli1等Hh通路相关蛋白表达之间的关系。


细胞系一: Sufu敲除的MEF细胞系,由于Sufu能够促进Gli1蛋白降解,故Sufu缺失会导致Gli1稳定性增强、即蛋白水平提高;


细胞系二: Hh-Light2,其中Gli2过表达。

Sufu敲除的细胞系中,加入BET抑制剂JQ1依旧能够抑制Gli1和Gli2的蛋白水平,另外Smo蛋白水平也有一定下降(Fig.2a)。而Hh通路中Smo蛋白的功能发生在Sufu抑制Gli1/2的上游,故而Smo的三个抑制剂都不能抑制Sufu敲除MEF中Gli1/2的表达水平和蛋白水平(Fig.2B-C)。利用shBrd4能够获得类似的结果(Fig.2D)。与之相似的结果在Hh-Light2细胞系中同样可以观察到(Fig.2E-F)。


统计发现,JQ1处理对于Gli1和Gli2的抑制作用仅仅需要3hr,如此短的作用时间提示了JQ1以及BRD4对于Gli1/2的转录调控很大可能性是直接的。因此研究者利用ChIP-PCR的方法,分析了Gli1和Gli2序列上TSS位点附近Brd4、和Pol II的结合情况。如Fig.2G-J所示:

1- Brd4和Pol II都在TSS位点附近存在富集

2- SAG能够进一步促进Brd4和Pol II的结合

3- JQ1的加入强烈抑制Brd4的结合,并且能抑制Pol II的结合

4- JQ1能完全逆转SAG的促进作用

5- JQ1在Sufu敲除的细胞系中同样起到抑制作用


Pol II的结合水平反映了基因转录水平即mRNA产量,以上结果侧面说明BRD4能够结合Gli1和Gli2启动子,起到促进表达的作用。

Fig.2 JQ1抑制Gli1和Gli2启动子活性和蛋白表达


3:Ptch缺陷的肿瘤细胞中,JQ1能够抑制Hh通路以及细胞增殖等


已有部分肿瘤以及肿瘤细胞系被证明是由于Hh通路异常导致,比如成神经管细胞瘤(autochthonous medulloblastomas)中Ptch缺陷(Ptch -/- ,如SmoWT-MB cells)。在这些细胞系中,研究者进一步证明JQ1能够抑制Gli1的启动子活性和表达(Fig.3A-F),进一步抑制肿瘤细胞的增殖和活性(Fig.3G-H)。值得注意的是,在这些细胞系中,传统的SMO抑制剂(GDC-0449和LDE225)与JQ1起到的抑制作用水平类似(Fig.3A,G)。


同样的,在这些细胞中,Brd4水平的降低与JQ1处理类似,也都会引起Gli1启动子活性和表达水平的下降(Fig.4A-B),以及细胞增殖能力的下降(Fig.4C-D)。

Fig.3 Ptch突变的肿瘤细胞中JQ1抑制Hh通路活性和细胞生长


4:Gli2过表达时,JQ1处理不会影响细胞增殖

有趣的是,在SmoWT-MB cells中对Gli2激活形态进行持续性过表达(GLI2-DN),再加入JQ1处理(Fig.4E),会发现在有Gli2过表达的细胞中(GFP+),JQ1不再能够影响细胞的增殖能力(Fig.4F)。

Fig.4 Brd4和JQ1影响肿瘤细胞生存


5:细胞水平证明JQ1对于Hh异常导致的肿瘤、特别是SMO抑制剂拮抗的肿瘤起作用


研究者在多个SMO抑制剂不敏感的肿瘤细胞系中,分析JQ1对于细胞的杀伤作用,以及相应的Gli1等Hh通路蛋白的表达情况;细胞系如下:

SmoD477G-MB:SMO抑制剂GDC-0449和LDE225不敏感的medulloblastoma cells

RCMB025:SUFU突变的medulloblastoma cells

CHB_ATRT1:SMARCB1缺失导致GLI1转录水平下降的atypical teratoid rhabdoid tumor (ATRT) cells

SU_ATRT2:SMARCB1缺失导致GLI1转录水平下降的atypical teratoid rhabdoid tumor (ATRT) cells

RCMB018:MYCN水平增强的medulloblastoma cells

Fig.5证明,以上细胞系的基因突变发生在Gli1信号通路传导过程中的不同的阶段、不同蛋白上(Fig.5A),JQ1都能通过控制最终关键步骤、即Gli1等核心转录因子的转录,调节整个Hh通路的水平(Fig.5B)。

Fig.5 SMO抑制剂不敏感的肿瘤细胞中,JQ1可以抑制Hh通路和肿瘤细胞生长


6:小鼠成瘤证明JQ1的体内药效

最后,研究者利用Med1-MB细胞构建了小鼠medulloblastomas模型。相对于对照组小鼠,饲喂JQ1(50 mg/公斤每日)能够使得肿瘤大小得到控制(Fig.6A),生存期大幅度延长(Fig.6B)。


另外两种肿瘤细胞,SmoWT-MB(SMO抑制剂敏感)和SmoD477G-MB(SMO抑制剂不敏感)的成瘤中,JQ1和传统SMO抑制剂GDC-0449表现不同:

1)JQ1和GDC-0449都能显著抑制SmoWT-MB移植瘤的生长(Fig.6C)

2)只有JQ1能够抑制SmoD477G-MB(SMO抑制剂不敏感)移植瘤的生长(Fig.6D)

证明了JQ1对于Hh异常引发肿瘤的治疗作用,特别是针对于SMO抑制剂不敏感类型肿瘤,可以作为传统SMO抑制剂类药物的强有力补充。

Fig.6 JQ1体内抑制Hh异常影响引起的肿瘤

图片来源:

Yujie Tang, et al. Epigenetic targeting of Hedgehog pathway transcriptional output through BET bromodomain inhibition. Nat Med. 2014 Jul;20(7):732-40. doi: 10.1038/nm.3613 .


参 考 文 献

1. Stratikopoulos EE, et al. Kinase and BET Inhibitors Together Clamp Inhibition of PI3K Signaling and Overcome Resistance to Therapy. Cancer Cell. 2015 Jun 8;27(6):837-51. doi: 10.1016/j.ccell.2015.05.006.

2. Fong CY, et al. BET inhibitor resistance emerges from leukaemia stem cells. Nature. 2015 Sep 24;525(7570):538-42. doi: 10.1038/nature14888. Epub 2015 Sep 14.

3. Kalderon D. Transducing the hedgehog signal. Cell. 2000 Oct 27;103(3):371-4.

4. Ng JM, Curran T. The Hedgehog's tale: developing strategies for targeting cancer. Nat Rev Cancer. 2011 May 26;11(7):493-501. doi: 10.1038/nrc3079.

5. Belkina AC, Denis GV. BET domain co-regulators in obesity, inflammation and cancer. Nat Rev Cancer. 2012 Jun 22;12(7):465-77. doi: 10.1038/nrc3256.

6. Jonkers I, Lis JT. Getting up to speed with transcription elongation by RNA polymerase II.

Nat Rev Mol Cell Biol. 2015 Mar;16(3):167-77. doi: 10.1038/nrm3953.








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