Plus深读 | KDM6A的缺失能够激活super-enhancer的作用，进而进一步导致BET抑制剂敏感型的胰腺癌

胰导管癌，即Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC)是极度恶性的肿瘤(1)。基因突变、外界刺激等致癌因素会导致正常胰腺中的腺泡细胞向导管细胞过度转化，并且导管细胞进一步增殖形成肿瘤，即PanIN: pancreatic intraepithelial neoplasia(1)。PanIN的细胞会在其他刺激、突变等条件下进一步发展、转移，即形成了PDAC。在PDAC发生的过程中，已经发现一系列明星原癌和抑癌起作用，包括KRAS的激活、TP53、CDKN2A和SMAD4的沉默等(2, 3)。其中KRAS激活是PanIN过程的直接诱因，而越来越多的表观遗传变化、和转录因子控制的转录事件，也被证明对PDAC起到重要作用。

Bailey et al通过测序，将PDAC划分为以下4个分子亚型（4）：

1） squamous-like (SQ)，即包括了传统分类中的间叶型（quasi-mesenchymal，QM subtype）

2） aberrantly differentiated endocrine exocrine (ADEX)

3） pancreatic progenitor (PP)

4） immunogenic (IMG)

这其中squamous-like亚型相当于传统分型中的间叶型，关键性基因的表达也极为相似：SOX17、PDX1和GATA6的低表达，与MYC和p63的高表达。

KDM6A（UTX）位于X染色体上，同一个KDM6亚家族中还包括KDM6B和UTY，包含JmjC去甲基化酶结构域。KDM6A和6B都能够催化H3K27me3去甲基，而位于Y染色体上的UTY则没有催化活性。H3K27me3的甲基化酶则是PRC2（polycomb repressive complex 2），与KDM6A功能相反。除了催化去甲基化的功能外，KDM6A也是COMPASS（complex of proteins associated with set1）复合体的组成蛋白。COMPASS中还包括WDR5，RBBP5，DPY30和KMT2C/D，后者催化H3K4me1单甲基化，进而划定enhancer的范围，在此范围内进行H3K27ac修饰、起到转录激活的作用。Super-enhancers（SEs）即由这些H3K27ac标记的enhancer区域成簇后形成。在包括胰腺癌在内的所有癌症中，KDM6A和KMT2C/D都是最常见的表观遗传因子突变。

1：SQ胰腺癌中存在许多KDM6A突变

首先研究者分析数据库，发现KDM6A的低表达和Squamous-like胰腺癌标志性基因TP63的高表达，都在SQ类型中有显著性差别（Fig.1A-B）；病人数据证明，TP63高表达的存活率更差（Fig.1C）。在男性PDAC患者中，TP63高的常常伴有UTY和KDM6A的缺失突变和表达降低（Fig.1D-E）；KDM6A和UTY水平低的病人，生存也会更差（Fig.1F）。

Tissue array结果也显示，KDM6A在PanIN过程中有较高水平，而未分化以及转移的PDAC组织中水平更低（Fig.1H-I），再次证明了其缺失对于PDAC的促进作用。

Figure 1

2: 小鼠水平验证，Kras和Kdm6a双突变小鼠胰腺癌加重

研究者利用Pdx1和Ptf1a两个胰腺特异性基因对Kdm6a进行条件性敲除。敲除小鼠的整体H3K27me3，H3K27ac，H3K4me1，以及EZH2等COMPASS复合体组成蛋白水平都没有变化。而Kras激活Kdm6a沉默的双突雌性小鼠有严重的胰腺癌，包括1）腹部肿块，2）黄疸，3）20-wk提前死亡等（Fig.2A），并且Kdm6a杂合的雌鼠、以及Kdm6a敲除雄鼠也有一定的提前死亡表型。组织化学结果同样显示双突的小鼠无论雌雄都存在严重的PDAC（Fig.2B-D）。

Figure 2

3：Kdm6a的缺失导致基因表达谱变化，并且与H3K27me3修饰无关

由于Kras Kdm6a双突变雌雄小鼠表型差异，研究者分别进行表达谱测序，并分析了影响的主要通路，例如EMT，细胞周期等（Fig.3A-B）。ChIP发现突变雌鼠的全基因组水平上H3K27me3修饰升高，而雄鼠、和H3K4me3水平没有明显变化（Fig.3E-F），并且结合位点在细胞运动、JAK等通路有一定富集（Fig.3G）。然而上述表达谱变化的基因中仅有少于10%的存在H3K27me3修饰的变化，证明Kdm6a的突变引起的表达谱变化并非来自于H3K27me3去甲基化功能。

Figure 3

4：Kdm6a缺失会激活super-enhancer（SEs），调控下游基因控制肿瘤细胞分化和迁移

由于已知KDM6A能够影响SE，因此研究者进一步分析了相关marker和蛋白全基因组的结合情况：H3K4me1、H3K27ac和KMT2D，发现有趣的现象：在Kdm6a缺失的雌雄鼠中存在相同的一群SEs位点活性的降低，然而只有雌性中有部分SEs特异性激活（Fig.4A-B），提示KDM6A对COMPASS复合体的定位可能起作用。并且这部分雌鼠中特异性激活的SEs中包含p63、ZEB1、RUNX3、MYC和BRD4调控的基因（Fig.4C-D）；小鼠体内的MYC水平也会相应上升（Fig.4E-F）。

Figure 4

5: Kdm6a的缺失能够增强胰腺癌对BET inhibitor的敏感性

研究者用78个影响表观遗传通路的抑制剂分别处理17株胰腺癌细胞系，发现BET抑制剂能够明显抑制细胞增殖（Fig.5A）。并且BET inhibitors对于不同细胞系的抑制作用强弱不同，对KDM6A正常的细胞系例如PANC1、SW1990等抑制作用很弱，而MIAPACA等抑制作用很强（Fig.5B），这种BET inhibitor敏感性增强与Kdm6a缺失之间的关系也存在于Kdm6a缺失的小鼠中（Fig.5C）。

Figure 5

6：BET inhibitor能够抑制和治疗胰腺癌发展

BET inhibitor，JQ1处理后，敏感的细胞株例如L3.6L和MIAPACA中p53通路、MYC通路、p63等都有变化（Fig.6A-C）。通过BRD4的ChIP证明，JQ1对p63水平的抑制是通过JQ1抑制BRD4功能实现的（Fig.6C），具体来说JQ1的添加能够抑制p63上游SEs的形成（Fig.6D-E）。

将JQ1注射Kdm6a突变小鼠中，发现能够显著降低PDA肿瘤体积（Fig.7A），抑制细胞增殖(Fig.7B)，减少肿瘤中MYC和p63的蛋白水平（Fig.7C-D），证明了BET inhibitor在体内对胰腺癌的作用。

Figure 6

Figure 7

本文来源：

Jaclyn Andricovich, et al. (2018). Loss of KDM6A Activates Super-Enhancers to Induce Gender-Specific Squamous-like Pancreatic Cancer and Confers Sensitivity to BET Inhibitors. Cancer Cell 33, 1–15, March 12.

References：

1. Halbrook CJ, Lyssiotis CA. (2017) Employing Metabolism to Improve the Diagnosis and Treatment of Pancreatic Cancer. Cancer Cell. Jan 9;31(1):5-19.

2. Ying, H., Dey, P., Yao, W., Kimmelman, A.C., Draetta, G.F., Maitra, A., and DePinho, R.A. (2016). Genetics and biology of pancreatic ductal adenocarcinoma. Genes Dev. 30, 355–385.

3. Reichert, M., and Rustgi, A.K. (2011). Pancreatic ductal cells in development, regeneration, and neoplasia. J. Clin. Invest. 121, 4572–4578.

4. Bailey, P., Chang, D.K., Nones, K., Johns, A.L., Patch, A.M., Gingras, M.C., Miller, D.K., Christ, A.N., Bruxner, T.J., Quinn, M.C., et al. (2016). Genomic analyses identify molecular subtypes of pancreatic cancer. Nature 531, 47–52.

5. Collisson, E.A., Sadanandam, A., Olson, P., Gibb, W.J., Truitt, M., Gu, S., Cooc, J., Weinkle, J., Kim, G.E., Jakkula, L., et al. (2011). Subtypes of pancreatic ductal adenocarcinoma and their differing responses to therapy. Nat. Med. 17, 500–503.