DNA甲基化作為基因表達(dá)“開關(guān)”，通過啟動(dòng)子調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)制已被廣泛研究。而基因體區(qū)域的DNA高甲基化與致癌基因的激活密切相關(guān)。這種復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制可能導(dǎo)致抑癌基因和致癌基因表達(dá)失調(diào)，從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展【1】。

在人類基因組中廣泛分布著大量保守的低甲基化區(qū)域（Under-methylated Regions, UMRs），其平均甲基化水平通常不超過10%，并富集有啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件。研究表明，UMRs 在胚胎發(fā)育及物種特異性表型的形成過程中發(fā)揮重要作用。然而，在多種癌癥類型中，這些 UMRs 常表現(xiàn)出甲基化水平異常升高，提示其在腫瘤發(fā)生和進(jìn)展中具有重要的功能意義【2,3】。盡管如此，UMRs 如何通過調(diào)控基因表達(dá)參與腫瘤發(fā)生的復(fù)雜機(jī)制，仍有待深入闡明。

近日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院的劉芝華/陳洪巖團(tuán)隊(duì)和溫州醫(yī)科大學(xué)的蘇建忠團(tuán)隊(duì)在AdvancedScience上發(fā)表了題為NKX2-5/LHX1 and UHRF1 establishing a positive feedback regulatory circuitry drives esophageal squamous cell carcinoma through epigenetic dysregulation的文章，揭示了基因體UMRs區(qū)高甲基化激活Homeobox基因，從而驅(qū)動(dòng)食管上皮惡性轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)NKX2-5/LHX1與UHRF1之間形成一個(gè)正反饋調(diào)控環(huán)路持續(xù)激活這三個(gè)基因表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)食管癌細(xì)胞的生長；而聯(lián)合抑制UHRF1和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶可有效抑制食管癌細(xì)胞的生長。這一研究不僅為理解食管癌發(fā)病機(jī)制提供了新視角，也為靶向表觀遺傳調(diào)控軸的聯(lián)合治療策略提供了理論基礎(chǔ)。

研究人員通過整合分析配對(duì)食管癌組織的全基因組、轉(zhuǎn)錄組及全基因組甲基化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，Homeobox基因是食管癌組織中表達(dá)上調(diào)最顯著的基因集，其中85個(gè)Homeobox家族基因在食管癌中表達(dá)上調(diào)（aHBG, activated Homeobox gene），82個(gè)Homeobox家族基因表達(dá)下調(diào)或未發(fā)生改變（uHBG, unactivated Homeobox gene）；且aHBG基因體低甲基化區(qū)域的高甲基化與其表達(dá)上調(diào)顯著正相關(guān)。與uHBG相比，aHBG在食管組織發(fā)育過程中表達(dá)水平較低，尤其在發(fā)育末期降至最低，提示aHBG在成熟食管組織中處于沉默狀態(tài)，aHBG異常激活可能與食管癌發(fā)生密切相關(guān)。接下來，體內(nèi)外功能篩選發(fā)現(xiàn)：aHBG中的NKX2-5和LHX1可顯著促進(jìn)正常食管上皮細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化能力，表明這兩個(gè)基因是驅(qū)動(dòng)食管癌惡性增殖的重要基因。

為解析NKX2-5和LHX1促進(jìn)食管上皮細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的機(jī)制，研究人員結(jié)合食管癌組織的NKX2-5和LHX1 ChIP-Seq和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)NKX2-5和LHX1可在全基因組水平上協(xié)同作用，共同結(jié)合并調(diào)控基因表達(dá)。經(jīng)過篩選鑒定到UHRF1為NKX2-5和LHX1共同調(diào)控的下游功能分子。為探究基因體UMRs區(qū)甲基化水平升高與NKX2-5 和 LHX1基因表達(dá)的關(guān)系，通過甲基化編輯系統(tǒng)提高NKX2-5 和 LHX1基因 UMRs 區(qū)甲基化水平。結(jié)果顯示，甲基化水平升高后，這兩個(gè)基因的表達(dá)被上調(diào)，食管癌細(xì)胞的增殖能力也隨之增強(qiáng)。UHRF1在DNA甲基化水平的建立和維持中具有重要作用【4】。為明確其在基因體UMRs區(qū)甲基化調(diào)節(jié)中的作用，研究人員在食管癌細(xì)胞中敲降UHRF1表達(dá)，并進(jìn)行全基因組甲基化測(cè)序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，敲降UHRF1表達(dá)后，aHBG基因體區(qū)域，尤其NKX2-5 和 LHX1的UMRs區(qū)甲基化水平顯著降低。進(jìn)一步研究表明，UHRF1能夠?qū)NMT1和DNMT3A 募集至NKX2-5 和 LHX1的UMRs區(qū)，從而促進(jìn)這兩個(gè)基因的表達(dá)。

以上結(jié)果表明，UHRF1 在 NKX2-5/LHX1、DNA甲基轉(zhuǎn)移酶及其各自對(duì)應(yīng)的 UMRs 之間發(fā)揮核心作用，增強(qiáng)了 NKX2-5 和 LHX1 的轉(zhuǎn)錄活性，形成了由三個(gè)分子構(gòu)成的正向轉(zhuǎn)錄反饋環(huán)路。值得注意的是，該 NKX2-5/LHX1/UHRF1 調(diào)控軸活性對(duì)食管癌患者預(yù)后具有顯著區(qū)分作用，此調(diào)控軸活性高的食管癌患者預(yù)后較差。并且，該調(diào)控軸具有成為治療靶點(diǎn)的潛力，聯(lián)合靶向 UHRF1 與 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶可協(xié)同抑制 NKX2-5/LHX1 的表達(dá)，從而有效抑制食管癌細(xì)胞的生長。

綜上，該研究不僅揭示了一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)控環(huán)路，將DNA甲基化調(diào)控因子 UHRF1 與Homeobox家族轉(zhuǎn)錄因子通過特異性的UMRs 連接起來，也為食管癌的表觀遺傳治療策略的發(fā)展提供了重要理論依據(jù)。

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院陳洪巖研究員、劉芝華研究員和溫州醫(yī)科大學(xué)蘇建忠研究員為共同通訊作者，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院博士后李旭坤、李勇教授和溫州醫(yī)科大學(xué)博士樊丹丹為共同第一作者。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202413508

制版人：十一

參考文獻(xiàn)

1.Su, J., Huang, Y.H., Cui, X., Wang, X., Zhang, X., Lei, Y., Xu, J., Lin, X., Chen, K., Lv, J. et al. (2018) Homeobox oncogene activation by pan-cancer DNA hypermethylation.Genome Biol, 19, 108.

2.Jeong, M., Sun, D., Luo, M., Huang, Y., Challen, G.A., Rodriguez, B., Zhang, X., Chavez, L., Wang, H., Hannah, R. et al. (2014) Large conserved domains of low DNA methylation maintained by Dnmt3a.Nat Genet, 46, 17-23.

3.Xie, W., Schultz, M.D., Lister, R., Hou, Z., Rajagopal, N., Ray, P., Whitaker, J.W., Tian, S., Hawkins, R.D., Leung, D. et al. (2013) Epigenomic analysis of multilineage differentiation of human embryonic stem cells.Cell, 153, 1134-1148.

4.Yamaguchi, K., Chen, X., Rodgers, B., Miura, F., Bashtrykov, P., Bonhomme, F., Salinas-Luypaert, C., Haxholli, D., Gutekunst, N., Aygenli, B.O. et al. (2024) Non-canonical functions of UHRF1 maintain DNA methylation homeostasis in cancer cells.Nat Commun, 15, 2960.

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