撰文 | 阿童木

肺泡橫紋肌肉瘤（ARMS）是一種高度侵襲性、易轉移的軟組織腫瘤，主要影響兒童和青少年。盡管與胚胎型橫紋肌肉瘤（ERMS）相比，ARMS的突變負荷較低，但其臨床預后較差，腫瘤易復發且耐藥性強，現有治療方法效果有限【1】。ARMS的發生與特定的基因融合事件密切相關，尤其是PAX3-FOXO1和PAX7-FOXO1融合蛋白被認為是關鍵的致癌驅動因子【2】。然而，由于缺乏直接針對這些融合蛋白的有效抑制方法，ARMS 的治療依然面臨巨大挑戰。

在探索 ARMS 的分子機制和開發精準治療策略時，臨床前研究中合適的動物模型顯得尤為重要。然而，長期以來，科學家們一直未能建立一種能在生理發育關鍵階段精確表達 PAX 融合蛋白的動物模型，這大大限制了對 ARMS 致癌機制的深入理解和新療法的驗證。因此，開發能夠真實再現融合陽性 ARMS 發生與進展的實驗模型，不僅有助于揭示 PAX3/7-FOXO1 如何驅動基因組和表觀遺傳的重編程，還能為設計靶向治療提供全新思路。

近年來，研究發現 tRNA 修飾、蛋白翻譯調控以及線粒體代謝的動態變化在多種腫瘤中扮演了重要角色，可能影響腫瘤的增殖、分化及對外界環境的適應能力【3,4】。然而，對于這些生物過程在 ARMS 中的具體表現及其對腫瘤形成的潛在貢獻，相關研究仍顯不足。因此，系統分析 ARMS 細胞中的翻譯調控網絡和代謝重編程，不僅有望為揭示其致癌機制提供新的視角，還可能挖掘出潛在的治療靶點。

近日，紐約大學醫學院Brian David Dynlacht、Bhargab Kalita以及圣裘德兒童研究醫院Elizabeth Stewart等合作在

Cell

PAX translocations remodel mitochondrial metabolism through altered leucine usage in rhabdomyosarcoma

為了探究 ARMS 腫瘤是否與特定發育階段的肌源性細胞相似，作者將PAX融合陽性ARMS患者及原位 PDX（O-PDX）模型的轉錄組數據與不同肌肉譜系的轉錄組進行了對比。結果顯示，ARMS 腫瘤細胞的基因表達模式與 PAX7? 骨骼肌祖細胞高度相似，暗示其可能停滯于肌肉發育的某一特定階段。基于這一發現，團隊構建了 iPSC-MPPAX3/7?FOXO1 模型，發現融合蛋白能誘導細胞異常增殖、形成腫瘤球，并激活與 ARMS 相關的腫瘤基因表達特征。通過 RNA-seq 分析，作者進一步發現PAX3/7-FOXO1 能廣泛調控基因表達，影響 HOX 家族、FOXM1、FGFR4 和 PPARGC1A 等關鍵致癌因子的表達，凸顯了融合蛋白在 ARMS 發生中的核心作用。

隨后，研究者利用 CUT&RUN、HiC 和 RNA-seq 技術，深入分析了 PAX3/7-FOXO1 在 iPSC-MP 細胞中的基因組結合特性。結果表明，PAX7-FOXO1 的結合位點數量遠超 PAX3-FOXO1，且兩者在超級增強子和增強子區域的占據模式存在顯著差異。PAX3-FOXO1 更傾向于誘導強大的超級增強子（SE）組裝，而 PAX7-FOXO1 則廣泛占據增強子區域。HiC 和 pCHiC 分析進一步顯示，PAX7-FOXO1 通過遠程啟動子-增強子相互作用調控基因表達，增強染色質重塑和轉錄激活。

在比較 PAX7-FOXO1 和 PAX7 的基因調控機制時，研究發現 PAX7-FOXO1 通過特異性的啟動子-增強子相互作用，占據并調控部分 PAX7 結合的增強子，顯著提升肌生成調控因子的表達，并通過重編程 MYOD1 促進腫瘤生長。此外，通過分析 PAX3/7-FOXO1 的結合位點和染色質互作數據，研究者發現，即便在缺乏已知致癌突變的 ARMS 腫瘤中，PAX3-FOXO1 和 PAX7-FOXO1 仍能通過啟動子-增強子相互作用激活多個癌基因及肌肉特異性基因，從而維持腫瘤細胞的高增殖狀態并驅動異常的肌肉特異性轉錄程序。因此，PAX3-FOXO1 和 PAX7-FOXO1 通過重塑染色質結構，不僅維持了前體細胞的增殖狀態，還在低突變負荷下推動異常生長和肌肉特異性轉錄程序的表達，在腫瘤發生中起到至關重要的作用。

進一步通過 HiC 分析，研究發現 PAX3/7-FOXO1 融合蛋白能重塑染色質的高級結構，導致約 15% 的染色質區室發生轉換，并改變關鍵致癌基因（如 MYCN）所在 TAD 的邊界，從而增強 MYCN 的表達。研究還顯示，PAX7-FOXO1 通過遠程啟動子-增強子相互作用激活 MYCN 下游 200 kb 處的超級增強子，促進 MYCN 在 ARMS 細胞中的異常表達，維持其高增殖狀態。CRISPRi 介導的超級增強子沉默實驗證實，該超級增強子對 MYCN 的依賴性、腫瘤細胞克隆形成能力及腫瘤發生至關重要。這表明，PAX3/7-FOXO1 通過超級增強子組裝促進 MYCN 表達，可能替代 MYCN 基因擴增的需求，為 ARMS 腫瘤發生的新機制提供了合理解釋。

接著，研究者分析了 ARMS 中被激活的可靶向通路，發現 PAX3-FOXO1 和 PAX7-FOXO1 融合蛋白通過直接調控線粒體代謝基因，增強 ARMS 細胞的氧化磷酸化（OXPHOS）活性，以滿足其能量需求。此外，ARMS 細胞表現出特異的線粒體 tRNA 上調，其中 tRNA 修飾酶 TRMT5 的高表達對腫瘤增殖和存活至關重要。沉默 TRMT5 顯著削弱了 ARMS 腫瘤細胞的克隆形成能力，導致體內腫瘤生長延遲和 OXPHOS 功能受損，提示 TRMT5 可能是 ARMS 治療的潛在靶點。

更深入的研究發現，TRMT5 通過調控線粒體 tRNA Leu（TRNL2）的表達，影響 ARMS 腫瘤細胞的代謝，尤其是亮氨酸的使用。ARMS 腫瘤傾向于使用特定的亮氨酸密碼子，而限制亮氨酸攝入能顯著抑制腫瘤細胞增殖，降低腫瘤負擔并延長小鼠生存期。進一步分析表明，亮氨酸限制通過減少線粒體蛋白翻譯和電子傳遞鏈復合體組裝，導致線粒體功能下降和 NAD/NADH 比率失衡。這表明ARMS 腫瘤對亮氨酸代謝的依賴性是其生長的關鍵，限制亮氨酸可能成為一種治療策略。此外，ARMS 腫瘤細胞通過提升線粒體蛋白表達顯著增強 OXPHOS 活性，使其對線粒體翻譯抑制劑更為敏感。

FGFR4 是 PAX 融合蛋白的重要靶標，在橫紋肌肉瘤中常過度表達，與異常增殖和轉移密切相關。研究發現，融合蛋白通過超級增強子調控增強 FGFR4 的表達。結合 FGFR4 抑制劑 robinitin（ROB）和線粒體翻譯抑制劑替加環素（TIG），可能協同抑制 ARMS 細胞的增殖和自我更新能力。在臨床前研究中，TIG 與 ROB 的聯合治療在 PAX3/7 融合陽性 O-PDX 模型中表現出顯著的抗腫瘤效果，療效明顯優于單一藥物治療，為 ARMS 的治療提供了新的潛在方案。

綜上所述，本研究揭示了 PAX3/7-FOXO1 融合蛋白在肺泡型橫紋肌肉瘤（ARMS）發生中的關鍵作用。通過表觀基因組學分析，研究發現這些融合蛋白通過重編程基因組，激活多個癌基因及與線粒體代謝相關的基因。研究還表明，亮氨酸的使用是驅動腫瘤生長的關鍵因素，限制其利用率能夠抑制氧化磷酸化，延緩腫瘤進展并改善小鼠生存。這項研究為 ARMS 的治療提供了新的靶點和策略。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.008

制版人： 十一

參考文獻

1. McEvoy, M.T., et al. (2023). Pediatric rhabdomyosarcoma incidence and survival in the United States: an assessment of 5656 cases, 2001–2017.Cancer Med.12, 3644–3656.

2. Shern, J.F., et al. (2014). Comprehensive genomic analysis of rhabdomyosarcoma reveals a landscape of alterations affecting a common genetic axis in fusion-positive and fusion-negative tumors.Cancer Discov.4, 216–231.

3. Goodarzi, H., et al. (2016). Modulated Expression of Specific tRNAs Drives Gene Expression and Cancer Progression.Cell165, 1416–1427.

4. D’Andrea, A., et al. (2016). The mitochondrial translation machinery as a therapeutic target in Myc-driven lymphomas.Oncotarget7, 72415–72430.

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