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还在吸烟吗?引发肺癌的可能不只是突变!

23Plus  · 公众号  · 生物  · 2017-09-27 07:00

正文

编者按

肺癌是最常见的肺原发性恶性肿瘤,根据发病部位、分化程度和形态特征,目前将肺癌分为两大类,即小细胞肺癌和非小细胞肺癌,其中非小细胞癌包括鳞癌、腺癌、大细胞癌。

①小细胞未分化癌(小细胞癌),恶性程度最高的一种肺癌,约占原发性肺癌的20%。患者年龄较轻,多在40~50岁左右,与吸烟有关。

②鳞状上皮细胞癌(简称鳞癌),约占原发性肺癌的40%~50%,多见于老年男性,与长期吸烟密切相关。

③腺癌,约占原发性肺癌的25%,与吸烟没有明确关系,多生长在肺边缘小支气管的黏液腺。

④大细胞未分化癌(大细胞癌),可发生在肺门附近或肺边缘的支气管,细胞较大,可分巨细胞型和透明细胞型。


由此可见,至少有两个主要类型的肺癌(小细胞癌与鳞癌)与吸烟关系密切。绝大多数“烟民”反对:我和烟友都没有罹患肺癌。这篇文章里,约翰霍普金斯医学院(The Johns Hopkins University School of Medicine)的研究人员用数据证明,吸烟的危害是长期积累的,能够通过改变表观遗传组,导致细胞转变,引发恶性肿瘤。

 


论文思路

本研究从细胞处理入手,分析了表观基因组水平的变化,转录组的变化,以及关键蛋白水平的变化;进一步观察细胞学变化,并进行成瘤实验。整个研究过程中贴紧非小细胞肺癌已有的分子靶标,还原了“烟民”在大的时间尺度内逐步罹患肺癌的过程。


1:证明长期吸烟影响表观遗传修饰:

采用香烟提取物(cigarette smoke condensate,CSC)长时间处理支气管上皮细胞(human bronchial epithelial Cells,HBECs)模拟长期吸烟。设置多个时间点,分析该时间点时:

1)DNMT水平—WB

2)EZH2等催化酶水平—WB

3)DNA甲基化水平—DNA甲基化测序

4)组蛋白甲基化水平—ChIP-seq等


2:发现CSC处理和两种肺癌共同的差异基因—转录组测序


3:分析共同变化的抑癌基因(SFRP2、BMP3等),不同CSC处理时间时的:

1)表观修饰变化—ChIP-PCR

2)表达量变化

证明CSC能够抑制抑癌基因的表达


4:CSC处理导致HBEC细胞性质改变


5:CSC处理+KRAS突变,HBEC转变为肿瘤细胞


论文解读

1:CSC长时间处理影响DNA甲基化酶、DNA甲基化、以及HBECs细胞形态

首先,研究者证明CSC处理能够影响表观遗传调控蛋白的水平,如Fig.1A-B,CSC处理10d后,DNMT1水平上升;在6-10个月后再次上升。


相应的,DNA甲基化测序发现,CSC处理10-15个月后,HBECs中DNA甲基化水平也相应提高;这种提高在CSC处理6个月及以后才能显现,处理早期比如10d时不会有什么变化(Fig.2)。有意思的是,这些甲基化存在的区域,多是分布在转录起始位点(TSS)以及启动子区域的CpG岛上(Fig.2D),这些区域一般在调控基因的表达上起作用,提示CSC处理引起的表观遗传修饰变化具有生物学功能。


与DNA甲基化变化相一致,HBECs的细胞形态,也在CSC处理6个月到10个月以后,开始出现与正常细胞明显的不同(Fig.1D),证明了表观遗传修饰的变化造成了一定水平上生物学性状的变化。

 

Fig.1 CSC处理引起表观调控蛋白水平变化

 

Fig.2 CSC处理导致DNA甲基化变化

 

2:CSC处理引起部分非小细胞癌相关基因的DNA甲基化水平提高

CSC处理1、6、10、15个月后,HBECs细胞中,TSS位点上下游1.5kb之内的CpG岛处DNA甲基化水平变化,主要发生在10-15个月以后(Fig.3A)。选择其中CSC处理后DNA甲基化上调的基因,与肺鳞癌和肺腺癌中甲基化变化的基因有大量重合(Fig.3C)。

 

Fig.3 TSS位点附近甲基化分析

 

3:CSC长期处理引起抑癌基因和全基因组水平TSS区域的DNA甲基化,抑制表达

3个已知的抑癌基因(BMP3,SFRP2和GATA4)DNA甲基化、组蛋白甲基化等表观遗传修饰都发生变化。ChIP-PCR发现,这些抑癌基因的启动子上:

1)CSC处理初期(10d),EZH2结合上升,H3K27me3水平上升;而DNMT1不变(Fig.4A)


2)CSC处理3个月后,直到10个月,DNMT1水平上升,相应的DNA甲基化取代组蛋白甲基化,成为主要的表观遗传标记(Fig.4A)

由于DNA的甲基化,这些抑癌基因表达水平在CSC处理10个月后降低(Fig.4B),提示CSC长期处理后,细胞对于癌变的管控“闸门”已经松懈。


研究者扩大对象,利用ChIP-seq,证明CSC长期处理后全基因组水平上TSS区域的DNA甲基化都有所上升(Fig.4C)。由此研究者假设,CSC处理会从表观水平改变关键基因的转录调控模式,即由PRC2等组蛋白修饰调控转变为DNA甲基化水平的调控。


这种转变是一个长期的过程:和DNA甲基化的进程一样,长期处理才能发生,发生之后同样能长期稳定的发挥作用,而难以扭转。

 

附:抑癌基因功能研究:

BMP3:能够抑制RAS-MAPK通路;非小细胞癌(NSCLC)中甲基化水平提高、表达下降,经常与KRAS突变共存


WNT通路抑制蛋白,比如SFRP1/2,DKK1-3,以及MSX1—促进抑制蛋白的表达。


Fig.4 CSC处理导致的ChIP PCR和表达变化

 

4:CSC影响HBECs细胞学性状、在KRAS突变下导致肿瘤

CSC处理10-15个月的HBECs变得更像肿瘤细胞:

1)导致细胞EMT、贴附性下降等生理变化(Fig.6A-E)


2)KRAS过表达后转变为肿瘤细胞(Fig.6H-I)

之前的研究发现,HBECs成瘤转化至少需要以下三个基因的变化:

TP53下调,KRAS突变,和c-MYC的过表达


如果先将HBECs用CSC处理15个月,则只需要KRAS的过表达(V12),就可以致瘤(Fig.6H-I),证明CSC处理导致的表观遗传学变化,相对于单基因突变,会大幅度提高致癌可能性。


3)将CSC处理15个月、并感染KRASV12的HBECs进行成瘤实验,发现肿瘤兼具腺癌和鳞癌的分子标记(Fig.7B);细胞内的DNA甲基化水平升高(Fig.7C)、相应基因表达水平降低(Fig.7D)。这些细胞中,WNT、LEF1、Hedgehog等通路水平会上升,符合癌变细胞的理化性质(Fig.7E)。

肺癌患者中常常出现的3个基因的突变:EGFR、KRAS和TP53;其中EGFR主要与不吸烟的LUAD患者相关,而KRAS和TP53则是吸烟者会引起的突变;吸烟者中,则是KRAS的突变与吸烟行为本身更有联系(Fig.7F-G)。


总之,本研究中CSC的长期处理,可以模拟长期吸烟,会导致肺上皮细胞转化、变得更有干性,细胞形态和增殖等都出现变化;仅需辅以单基因-KRAS的突变,就会导致不处理条件下多基因突变才会细胞癌变。

 

Fig.6 CSC长期处理改变细胞性状

 

Fig.7 CSC长期处理细胞体内成瘤


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