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Mol Cell | 涂镇波等揭示转座元件衍生基因在肿瘤中的关键作用机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-03 09:21

正文

转座元件是广泛存在的遗传单位，这些单位在整个进化过程中对原核生物和真核生物的基因组多样性起着关键作用【1,2】。转座元件对人类发育至关重要，在多能性和胚胎发生中发挥着重要功能。此外，转座元件序列也与人类病理学密切相关，特别是在癌症方面，其作为顺式/反式转录调节因子、肿瘤特异性抗原和非编码RNA来源以及破坏肿瘤抑制因子的诱变剂的功能已被广泛研究。尽管已有这些发现，但关于转座元件衍生基因在肿瘤发病机制中的作用知之甚少。因此，明确转座元件衍生基因在肿瘤中的作用及其机制，对理解肿瘤的发生和发展，以及挖掘新的治疗靶点至关重要。

2024年10月30日，哈佛医学院贝斯以色列女执事医疗中心Antoine Karnoub团队在Molecular Cell杂志上发表题为Tumor-suppressive activities for pogo transposable element derived with KRAB domain via ribosome biogenesis restriction的研究论文。本研究首次系统地分析了转座元件衍生基因在常见肿瘤类型中的表达情况，发现POGK是失调最显著的基因。研究明确了POGK与转录共阻遏物TRIM28结合，直接抑制核心核糖体蛋白的转录，从而全面抑制核糖体生物学功能。此外，作者发现POGK在转录后经历转录异构体转换，进而其抑癌作用失活。通过逆转转录后异构体转换，POGK有望成为潜在的肿瘤治疗靶点。

作者首先利用癌症基因组图谱数据库，检索了常见肿瘤中转座元件衍生基因家族成员的表达情况。结果显示，具有KRAB结构域的POGO转座元件衍生基因POGK的基因改变尤为明显，特别是在乳腺癌中。为了验证POGK在乳腺癌组织中的表达水平，作者对乳腺组织芯片进行了免疫组织荧光染色分析，并对激光捕获显微切割（LCM）的乳腺组织样本和乳腺细胞系进行了数字PCR（dPCR）检测，研究结果发现POGK在三阴性乳腺癌中的表达显著下降。在细胞功能研究中，结果表明POGK能够显著抑制三阴性乳腺癌细胞在体内和体外的生长。

为了明确POGK的作用机制，作者对POGK过表达的细胞进行RNA测序，并发现POGK抑制的差异表达基因主要与核糖体生物功能相关。进一步，作者通过利用Click-iT代谢标记法证实POGK能抑制初始蛋白质的合成。作者通过免疫荧光染色发现POGK主要定位于细胞核内，并通过免疫共沉淀结合蛋白质谱分析技术鉴定发现TRIM28是POGK的细胞核内结合分子。通过逐个删除POGK各主要分子结构域发现POGK的KRAB结构域是其关键效应结构域。为了阐明POGK全面抑制核糖体基因表达的分子机制，作者利用染色质免疫沉淀结合DNA测序（ChIP-Seq）与细胞RNA测序数据，以及TRIM28敲低模型，证实POGK抑制小核糖体亚基RPS16和RPS29的转录表达。通过核酸酶靶向切割和释放实验（CUT&RUN）证实RPS16和RPS29是POGK的直接靶分子。具体分子机制为：POGK通过其KRAB结构域结合TRIM28，从而形成POGK+TRIM28/HP1/SETDB1转录抑制复合物。进一步研究发现，下调RPS16和RPS29的表达水平能够显著抑制其他核糖体基因的表达、初始蛋白质的合成，以及抑制三阴性乳腺癌细胞的生长。

为了探明POGK在三阴性乳腺癌中低表达的机制，作者发现POGK在转录后被剪接成两个主要亚型：亚型1为全长同工型POGK，而亚型2缺少编码KRAB结构域的外显子3和外显子4。在常见癌症的基因亚型表达数据中，肿瘤样本中外显子3和外显子4的表达显著低于正常样本，同时两个亚型在肿瘤样本中存在显著的负相关性。实验进一步证实，虽然亚型2可以结合RPS16和RPS29的启动子区域，但由于无法结合TRIM28分子，因此不能抑制核糖体基因的表达，也无法抑制初始蛋白质的合成。这提示，逆转POGK转录后的亚型转换，从而恢复和促进POGK亚型1的表达，有望成为潜在的三阴性乳腺癌靶向治疗手段。

综上所述，POGK是三阴性乳腺癌中表达变化最显著的转座元件衍生基因。本研究阐明了POGK通过其KRAB结构域与转录抑制因子TRIM28结合，形成转录抑制复合物，从而抑制小核糖体亚基RPS16和RPS29的基因转录。这一过程通过抑制核糖体的生物功能，进一步抑制三阴性乳腺癌细胞的生长。这些发现强调了转座元件衍生基因在肿瘤发生与发展中的关键作用，同时指出POGK作为潜在治疗靶点的重要性。

哈佛医学院讲师涂镇波博士为本论文第一作者，哈佛医学院Antoine Karnoub副教授为本论文的通讯作者。哈佛大学干细胞研究所Daniel Tenen教授团队，怀特黑德生物医学研究所George Bell博士为该研究提供了重要支持和指导。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.09.025

制版人：十一

参考文献

1. Hoyt, S.J., Storer, J.M., Hartley, G.A., Grady, P.G.S., Gershman, A., de Lima, L.G., Limouse, C., Halabian, R., Wojenski, L., Rodriguez, M., et al. (2022). From telomere to telomere: The transcriptional and epigenetic state of human repeat elements. Science 376, eabk3112. 10.1126/science.abk3112.

2. Lawson, H.A., Liang, Y., and Wang, T. (2023). Transposable elements in mammalian chromatin organization. Nat Rev Genet 24, 712-723. 10.1038/s41576-023-00609-6.

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