肿瘤相关超级增强子的研究方案及应用前景

【字体: 时间:2017年06月28日 来源:表观生物

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  超级增强子是具有转录活性增强子的一个大簇, 富集高密度的关键转录因子(Master transcription factors)、辅因子(Cofactor)和增强子表观修饰标记(Histone modification marks)。 开展肿瘤相关超级增强子的研究,将有助深入解开肿瘤发病机制,并且可用于指导抗肿瘤药物的高效研发,具有重要的社会意义和经济价值。

超级增强子简介

增强子是调控细胞基因时空表达关键的顺式作用元件。2013年,Richard A. Young 实验室基于当时增强子的研究,提出了超级增强子(Super-enhancers, SEs)概念[1]。超级增强子是具有转录活性增强子的一个大簇, 富集高密度的关键转录因子(Master transcription factors)、辅因子(Cofactor)和增强子表观修饰标记(Histone modification marks) (见图1)。在功能上超级增强子能够驱动控制细胞身份基因的表达,可以用来解释细胞类型特异的表达模式,在发育生物学、癌症等疾病致病机理研究中显示出巨大的应用潜力[1-4]。Richard A. Young 曾激动地预言道:“‘超级增强子’具有广阔的研发前景和价值,必将成为下一个药物研发的黄金靶点!” 因此开展肿瘤相关超级增强子的研究,将有助深入解开肿瘤发病机制,并且可用于指导抗肿瘤药物的高效研发,具有重要的社会意义和经济价值。


 
图1.超级增强子及复合物结构示例图[1]

超级增强子鉴定及研究思路

目前对增强子鉴定,主要采用染色质免疫共沉淀技术(ChIP-seq) 针对活性增强子相关联的因子或组蛋白修饰进行检测,如转录因子、转录辅激活因子(如Mediator、p300)、组蛋白修饰H3K27ac 和H3K4me1等。活性增强子通常同时含有H3K27ac 和H3K4me1 修饰,而静态增强子(poised enhancer)一般同时具有H3K4me1 和H3K27me3 组蛋白标记[4-6]。在此基础上,超级增强子依据增强子转录活性标记分子结合水平强度的差异进行鉴定。在分析方法上,首先对所得增强子进行缝合。主要依据在基因组范围内,这些单个增强子实体间如在12.5 kb 范围内,则合并为单个实体,即缝合增强子(Stitched enhancer)。最后,确定超级增强子和普通增强子之间的阈值。缝合增强子和其余的单个增强子按照ChIP-seq 所测信号水平的强度排序,绘制获得一张曲线图,该曲线上斜率为1 的切线的切点所得的信号值为区分超强增强子和普通增强子之间的阈值,高于该值为超级增强子,其余的则称为普通增强子(Typical enhancer)[1,2](见图2,图3)


                       
图2. 确定超级增强子和普通增强子之间的阈值[1]


 
图3.普通增强子与超级增强子示例图[3]

鉴定出超级增强子之后,可以根据基因位置预测超级增强子所调控的编码蛋白基因和非编码RNA的表达,通过结合转录组测序技术,可以对超级增强子和肿瘤异常高表达的mRNA、lncRNA、circRNA、miRNA进行关联分析,从而推断关键的超级增强子,进一步锁定肿瘤相关的基因,有利于指导下一步的抗肿瘤功能研究。

癌症细胞可以通过突变、关键正常基因超级增强子的染色体易位、局部扩增、过度表达致癌转录因子等遗传机制来构建驱动致癌基因的超级增强子[3,7,8]。目前研究表明常见的复杂疾病和超级增强子之间也是相关联的。Richard A. Young 实验室对GWAS 鉴定的5 303 个疾病特征相关SNP 分布分析表明,大部分SNP 仅生在非编码区域(93%),其中64%的位点富集于增强子区域,并且富集于超级增强子的变异要显著多于普通增强子[3](见图4)。因此锁定目标超级增强子区域后,可以结合大样本的靶向捕获测序,对目标增强子区域进行DNA测序,有助于快速发现肿瘤相关的突变位点,获得新的诊断标志物。


          

图4. 超级增强子区域存在大量疾病相关的突变位点[3]

超级增强子的研究涉及ChIP-seq、生物信息分析、后期功能研究等关键技术,存在一定的难度。表观生物结合自身技术优势,在国内率先推出针对目前超级增强子的关键研究技术服务,制定整体研究方案以供参考,希望促进国内肿瘤超级增强子研究的发展,推动肿瘤精准诊断与治疗的进步:

(表观生物可针对客户的研究方向免费制定个性化研究方案)


研究展望

超级增强子不但对编码蛋白基因具有调控作用,目前发现对非编码RNA同样发挥重要的功能。研究构建超级增强子-TF-靶编码蛋白基因调控网络是当前常规的研究思路,而未来构建超级增强子-TF-ncRNA-靶蛋白将有望成为一个新的研究方向。

2017年3月,麻省理工学院教授Phillip Sharp在Cell杂志发文[9]称,通过生物信息学分析发现增强子与miRNA的表达密切相关,而超级增强子介导的miRNA表达与组织特异性的形成有关。本项研究中,报导了超级增强子驱动 miRNA的内源合成的关键因素,这是细胞身份确定的关键,具体是通过分析增强子转录模式行为和Drosha / DGCR8介导的主要miRNA前体(pri-miRNA)处理机制实现的。超级增强子和全局调控的H3K4me3组蛋白修饰模式的结构域是 miRNA表达图谱的关键因素。通过CRISPR / Cas9基因组编辑方法显示超级增强子成分可相互合作,促进Drosha / DGCR8蛋白复合体招募和提高前体miRNA(pri-miRNA)的合成,以此来提高细胞种类特异性miRNA的生产。超级增强子联合多个miRNA将有潜力成为癌症有关的生物标志物。(见图5)


 
图5.超级增强子驱动miRNA前期的生成机制[9]

基于超级增强子的抗癌研究策略及药物开发

根据文章开头的超级增强子结构特点及形成的功能性复合物,只要干扰其中关键组成成分,即可以影响超级增强子的功能发挥,进而影响下游调控基因的表达水平,从而起到治疗作用。

2013年4月,超级增强子研究的开拓者Young与哈佛大学医学院研究员James Bradner合作成立了锡罗斯生物制药公司(Syros Pharmaceuticals Inc.)。Syros充分利用自主知识产权的基因研究平台,筛查病变组织中异常激活的DNA非编码片段。Simonian希望公司能够找到新型致病基因,并开发一类能够特异性靶向DNA非编码调节性区段,研发能够直接靶向特定靶点的小分子药物。Syros专注开发那些能够靶向于转录因子,转录性激酶和其他转录调节活性蛋白的新型基因调控药物。(见图6) 


 
图6. Syros基于超级增强子的新药研发策略(来源于Syros官网)

目前,Syros的首席药物候选物SY-1425已经进入二期临床试验,这是一种选择性RARa激动剂,用于治疗基因定义的急性骨髓性白血病亚型患者和骨髓增生异常综合征患者。另一产品SY-1365是具有一定潜能的选择性CDK7抑制剂,适用于实体瘤和血液癌症。(见图7)


 
图7. Syros新药研发管线进展(来源于Syros官网)

总结:

超级增强子关联控制细胞身份的关键基因,许多肿瘤细胞关键致癌基因的表达由超级增强子所驱动,常见疾病相关的变异显著富集于超级增强子,这些功能特征可以用以鉴定细胞类型特异的关键转录因子,寻找关键的致癌基因,发现疾病关联变异位点,显示了巨大的应用潜力。随着研究的深入, 超级增强子或将会为肿瘤、自身免疫学疾病、糖尿病等复杂疾病治疗技术的开发提供新的思路。

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[1] Whyte WA, Orlando DA, Hnisz D, Abraham BJ, Lin CY, Kagey MH, Rahl PB, Lee TI, Young RA. Master transcription factors and mediator establish super-enhancers at key cell identity genes. Cell, 2013, 153(2): 307–319.
[2] Lovén J, Hoke HA, Lin CY, Lau A, Orlando DA, Vakoc CR, Bradner JE, Lee TI, Young RA. Selective inhibition of tumor oncogenes by disruption of super-enhancers. Cell, 2013, 153(2): 320–334.
[3] Hnisz D, Abraham BJ, Lee TI, Lau A, Saint-André V, Sigova AA, Hoke HA, Young RA. Super-enhancers in the control of cell identity and disease. Cell, 2013, 155(4): 934–947.
[4] Creyghton MP, Cheng AW, Welstead GG, Kooistra T,Carey BW, Steine EJ, Hanna J, Lodato MA, Frampton GM,Sharp PA, Boyer LA, Young RA, Jaenisch R. Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state. Proc Natl Acad Sci USA, 2010,107(50): 21931–21936.
[5] Heintzman ND, Hon GC, Hawkins RD, Kheradpour P,Stark A, Harp LF, Ye Z, Lee LK, Stuart RK, Ching CW, Ching KA, Antosiewicz-Bourget JE, Liu H, Zhang XM,Green RD, Lobanenkov VV, Stewart R, Thomson JA,Crawford GE, Kellis M, Ren B. Histone modifications at human enhancers reflect global cell-type-specific gene expression. Nature, 2009, 459(7243): 108–112.
[6] Rada-Iglesias A, Bajpai R, Swigut T, Brugmann SA, Flynn RA, Wysocka J. A unique chromatin signature uncovers early developmental enhancers in humans. Nature, 2011,470(7333): 279–283.
[7] Mansour MR, Abraham BJ, Anders L, Berezovskaya A,Gutierrez A, Durbin AD, Etchin J, Lawton L, Sallan SE,Silverman LB, Loh ML, Hunger SP, Sanda T, Young RA,Look AT. Oncogene regulation. An oncogenic super-enhancer formed through somatic mutation of a noncoding intergenic element. Science, 2014, 346(6215):1373–1377.
[8] Gröschel S, Sanders MA, Hoogenboezem R, de Wit E,Bouwman BA, Erpelinck C, van der Velden VHJ, Havermans M, Avellino R, van Lom K, Rombouts EJ, van DuinM, Döhner K, Beverloo HB, Bradner JE, Döhner H, Löwenberg B, Valk PJM, Bindels EMJ, de Laat W, Delwel R.A single oncogenic enhancer rearrangement causes concomitant EVI1 and GATA2 deregulation in leukemia. Cell, 2014, 157(2): 369–381.
[9] Suzuki H I, Young R A, Sharp P A. Super-Enhancer-Mediated RNA Processing Revealed by Integrative MicroRNA Network Analysis[J]. Cell, 2017, 168(6): 1000-1014. e15.

本文撰写过程参考以下中文材料,特向原作者致谢!

孙长斌, 张曦. 超级增强子研究进展[J]. 遗传, 2016, 38(12):1056-1068.
周洋, 施晓敏, 韩澍,等. 超级增强子的发现与研究进展[J]. 国际生殖健康/计划生育杂志,2017,36(2):137-141.
Syros:因超级增强子而生开拓基因治疗
网址:
http://www.cn-healthcare.com/articlewm/20160706/content-1004190.html
Syros公布白血病新药创新机制
网址:
http://www.sohu.com/a/139708313_282570

【关于表观生物】

广州表观生物科技有限公司(简称表观生物 Guangzhou Epibiotek Co.,Ltd.)2016年在广州科学城成立,是由多位归国资深生物技术专家共同创办的高新技术企业。表观生物专注于医学表观遗传与转录调控研究领域,提供尖端的GRO-seq、CLIP-seq、ChIP-seq、外泌体环状RNA测序、Crispr cas9高通量筛选、生物信息分析等科技服务,致力于成为全球领先的表观遗传学研究服务提供商。

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