撰文 | Qi
室管膜瘤（EPN）是一种缺乏靶向治疗且耐化疗的侵袭性儿童脑肿瘤，可依据遗传和表观遗传改变将EPN分为至少九种分子亚型，其中，大约70%的幕上EPN（ST-EPN）的特征是ZFTA和RELA之间的基因融合（以下简称ZRFUS）【1, 2】，与其他形式的ST-EPN相比，其无进展生存期更低。研究表明，ZRFUS可作为一种异常转录因子发挥作用，招募染色质修饰剂激活与神经发育相关的致癌转录程序【3, 4】，但详细机制仍然未知。此外，研究表明5-羟色胺可整合到组蛋白中作为表观遗传标记调节神经元和星形胶质细胞的基因表达【5, 6】，提示神经元可能通过释放附着在组蛋白上的神经活性物质来重塑肿瘤表观基因组，但EPN是否以及如何受到此影响仍未研究清楚。
近日，来自美国贝勒医学院的Benjamin Deneen团队等在Nature杂志合作发表了一篇题为Histone serotonylation regulates ependymoma tumorigenesis 的文章，他们将组蛋白5-羟色胺化确定为EPN肿瘤发生的关键驱动因素，并揭示了神经元信号传导、神经表观基因组学和发育程序如何相互交织以驱动脑恶性肿瘤。
为了解ZRFUS如何促进EPN肿瘤发生，他们比较了ZRFUS驱动的EPN肿瘤患者与非融合患者的转录组学特征，发现神经元异常激活可能驱动EPN肿瘤发生。于是他们基于DREADD技术选择性激活皮质兴奋性或抑制性神经元并以BrdU掺入作为肿瘤细胞增殖的指标，发现皮质兴奋性神经元激活可促进ZRFUS EPN肿瘤发生。通过对人和小鼠ZRFUS EPN肿瘤染色，他们发现5-羟色胺转运蛋白SLC6A4表达增加，但多巴胺转运蛋白SLC6A3无明显变化，提示5-羟色胺水平可能影响EPN肿瘤发生。为操纵大脑中5-羟色胺水平，他们继续利用DREADD技术激活中缝背核（dRN）中5-羟色胺能神经元，发现激活后肿瘤中细胞增殖显著减少，肿瘤总体积也减少，提示dRN中5-羟色胺能神经元活性抑制EPN肿瘤进展，即不同神经元亚群的激活对肿瘤进展存在相反影响。
那么EPN细胞如何响应5-羟色胺呢？基于5-羟色胺可附着在组蛋白中调节神经元和星形胶质细胞基因表达【5, 6】的研究结果，他们利用特异性抗体检测ZRFUS EPN中的组蛋白5-羟色胺化（H3K4me3Q5ser, H3-5HT），发现H3-5HT显著增加，然而，阻断肿瘤中的H3-5HT却能显著抑制肿瘤形成，与其在微环境中抑制生长的作用相反。由于5-羟色胺转运蛋白SLC6A4在ZRFUS EPN中表达，他们推测减少5-羟色胺转运是否会影响肿瘤发生和H3-5HT状态，用CRISPR-Cas9敲除后，肿瘤中细胞增殖减少且H3-5HT水平降低。考虑到H3-5HT作为驱动基因表达的活性组蛋白标记，他们利用ChIP-seq评估H3-5HT在肿瘤整个基因组中的分布，发现H3-5HT参与几个与发育相关的转录因子的调节。于是他们将这些转录因子在ZRFUS EPN模型中分别过表达，发现ETV5的过表达显著增强了肿瘤细胞增殖并降低小鼠存活率。ETV5在EPN肿瘤发生中的作用此前尚未被研究过，于是他们检测了其调节基因表达和染色质状态的机制。ChIP-seq结果显示，ETV5过表达肿瘤中活性H3K27ac峰减少，而抑制性H3K27me3峰增加，即ETV5可促进ZRFUS EPN中抑制性H3K27三甲基化特征。
接下来，该团队通过比较ETV5过表达肿瘤和对照组的RNA-seq结果来鉴定ETV5下游效应基因，发现神经肽Y（NPY）显著下调，虽然NPY在EPN中的作用尚未明确，但其已被证明与多种恶性肿瘤相关。由于ETV5促进肿瘤进展，而NPY在ETV5肿瘤中下调，因而假设其过表达会抑制EPN肿瘤生长，根据BrdU掺入结果，ZRFUS EPN模型中NPY过表达确实能抑制细胞增殖并延长小鼠总体存活率。为进一步了解NPY如何抑制肿瘤，他们对NPY过表达肿瘤进行RNA-seq分析，发现有关突触发育和突触信号传导的基因下调最明显，提示EPN肿瘤释放的NPY影响微环境的突触组织，且肿瘤边缘的兴奋性突触减少而抑制性突触增加。
综上所述，这项工作证明5-羟色胺能神经元的活性可调节EPN肿瘤发生，ETV5促进抑制性染色质状态，被抑制的ETV5靶标之一是NPY，它通过神经元的旁分泌信号传导来抑制EPN进展和大脑过度活跃。这些研究强调了神经活性化合物和脑肿瘤之间相互作用的重要性。考虑到组蛋白5-羟色胺化发生在星形胶质细胞和神经元中，这种调节也可能存在于其他类型的脑肿瘤中。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07751-z
制版人：十一
1. Pajtler, K. W. et al. Molecular classification of ependymal tumors across all CNS compartments, histopathological grades, and age groups. Cancer Cell 27, 728–743 (2015).
2. Parker, M. et al. C11orf95–RELA fusions drive oncogenic NF-κB signalling in ependymoma. Nature506, 451–455 (2014).
3. Arabzade, A. et al. ZFTA-RELA dictates oncogenic transcriptional programs to drive aggressive supratentorial ependymoma. Cancer Discov. 11, 2200–2215 (2021).
4. Kupp, R. et al. ZFTA translocations constitute ependymoma chromatin remodeling and transcription factors. Cancer Discov. 11, 2216–2229 (2021).
5. Farrelly, L. A. et al. Histone serotonylation is a permissive modification that enhances TFIID binding to H3K4me3. Nature567, 535–539 (2019).
6. Sardar, D. et al. Induction of astrocytic Slc22a3 regulates sensory processing through histone serotonylation. Science 380, eade0027 (2023).
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