MLL3突变谱揭示其在癌症预后与免疫化疗反应中的双刃剑作用

《Cell Reports》：The pan-cancer mutational landscape of MLL3 and its impact on prognosis and immunochemotherapy

本研究针对MLL3（KMT2C）基因在泛癌种中的突变模式及其临床意义尚不明确的现状，通过整合TCGA等多组学数据与小鼠模型验证，系统描绘了MLL3的突变景观。研究发现MLL3突变具有组织特异性分布，并通过诱导基因组不稳定性（如TMB升高）重塑肿瘤免疫微环境，尤其在UCEC（子宫内膜癌）和COAD（结肠腺癌）中，MLL3/POLE共突变可增强免疫活性并预测更好的免疫化疗反应。该研究为MLL3作为预后生物标志物和免疫治疗靶点提供了理论依据。

　　

在精准医疗时代，癌症的基因图谱绘制已成为指导临床诊疗的关键。组蛋白修饰作为表观遗传调控的核心机制，其相关基因的异常与肿瘤发生发展密切相关。其中，MLL3（又名KMT2C）基因编码的蛋白是COMPASS复合物的关键组分，主要负责催化组蛋白H3第4位赖氨酸的单甲基化（H3K4me1），这一修饰通常活跃在基因增强子区域，对基因转录激活至关重要。尽管测序研究反复证实MLL3是人类癌症中最常发生突变的基因之一，但其突变在泛癌种范围内的全貌、对患者预后的影响，以及其对肿瘤免疫微环境的调控作用，仍缺乏系统性的认知。这种认知的空白，限制了我们将MLL3突变信息转化为临床实践的能力。

为了填补这一空白，刘新华、徐阳、王越等研究人员在《Cell Reports》上发表了他们的最新研究。他们开展了一项大规模的泛癌分析，旨在系统描绘MLL3的突变景观，并深入探究其在不同癌症类型中对基因组稳定性、肿瘤免疫微环境、患者预后及治疗反应的广泛影响。

研究人员综合利用了生物信息学分析和实验验证两种手段。关键的技术方法包括：1） 对来自癌症基因组图谱（TCGA）计划的33种癌症类型的体细胞突变数据和拷贝数变异（CNV）数据进行挖掘，以绘制MLL3的突变和CNV图谱；2） 使用基因集富集分析（GSEA）和单样本GSEA（ssGSEA）来评估MLL3突变对癌症 hallmark 通路和免疫相关基因集的影响；3） 利用CIBERSORT和ESTIMATE算法估算肿瘤样本中的免疫细胞浸润水平；4） 通过CRISPR/Cas9技术构建Mll3基因敲除（Mll3-KO）的小鼠结肠癌CT26细胞系；5） 建立同系（BALB/c）和免疫缺陷（BALB/c-nu）小鼠的结肠癌移植瘤模型，并结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）、免疫荧光染色和细胞因子阵列分析，在体内验证Mll3缺失对肿瘤生长和免疫微环境的影响；6） 采用CUT&Tag技术在全基因组范围内检测Mll3缺失对H3K4me1和H3K27ac组蛋白修饰的影响。

Pan-cancer mutation and copy-number variation of MLL3

研究首先揭示了MLL3在33种癌症中的突变景观。分析发现，MLL3的遗传改变主要以点突变或小的插入缺失（indel）为主，拷贝数变异（CNV）相对罕见，并且在不同的细胞起源（CoR）的癌种中呈现出明显的谱系特异性变异。例如，妇科癌症（GYN，如UCEC）的MLL3突变率最高，而中枢神经系统（CNS）肿瘤的突变率最低。此外，研究还发现患者平均年龄与MLL3突变率呈显著正相关，提示衰老压力可能影响MLL3基因的稳定性。

Association of MLL3 mutation with genomic instability

鉴于MLL3在染色质功能和DNA损伤修复（DDR）中的重要作用，研究人员进一步探讨了MLL3突变与基因组不稳定性的关联。在至少包含20个MLL3突变样本的13种癌症中，与MLL3野生型（MLL3W）样本相比，MLL3突变（MLL3M）样本表现出显著更高的肿瘤突变负荷（TMB）。然而，MLL3突变对拷贝数负荷（CNVLoad）和杂合性缺失（LoH）片段数的影响相对较弱，这表明MLL3缺陷主要导致易于点突变或小indel的基因组区域发生改变，而非大范围的染色体扰动。

Prognostic impact of MLL3 alterations in cancers

生存分析显示，MLL3突变的预后价值具有癌症类型特异性。在浸润性乳腺癌（BRCA）中，MLL3突变预示着较差的总生存期（OS），而在子宫 corpus 子宫内膜癌（UCEC）中，则与更好的预后相关。这种差异提示MLL3对预后的影响可能并非通过直接调控肿瘤细胞本身实现，因为MLL3敲低反而会抑制BRCA和UCEC细胞系的活力。这暗示其预后效应可能是通过间接调节肿瘤微环境（TME）介导的。

Functional heterogeneity of MLL3 mutation

基因表达差异分析表明，在大多数癌症中，MLL3突变样本的下调基因占主导，这与MLL3作为转录激活子的功能一致。然而，在结肠腺癌（COAD）中却观察到一个反直觉的现象：上调基因的数量多于下调基因。单样本基因集富集分析（ssGSEA）进一步揭示了MLL3突变对癌症 hallmark 通路影响的异质性。值得注意的是，与免疫反应相关的通路，如干扰素α（IFNα）反应和炎症反应，在多个癌种的MLL3突变样本中显著富集。对肿瘤免疫微环境的深入分析发现，MLL3突变与COAD和UCEC中CD8⁺ T细胞等促炎性免疫细胞浸润增加、免疫检查点基因（如PD-1, PD-L1）表达上调密切相关，而在BRCA和KIRP（肾乳头状细胞癌）中则观察到免疫抑制性的微环境。

Co-mutation of MLL3 and POLE is closely associated with high tumor immunogenicity and better prognosis in UCEC

在UCEC中，MLL3与另一个重要的DNA聚合酶ε催化亚基POLE经常发生共突变。研究发现，MLL3和POLE共突变（M+PM）的UCEC样本，相比仅有单个基因突变或双野生型（NonM）的样本，具有最高的TMB、最活跃的DNA损伤修复通路、最丰富的免疫细胞（如B细胞、CD8⁺ T细胞、树突状细胞）浸润、更高的CD8⁺ T细胞/调节性T细胞比率以及M1/M2巨噬细胞比率，同时免疫检查点基因表达也显著上调。多变量Cox回归分析确认，MLL3/POLE共突变是UCEC的一个独立预后因素，预示着更好的生存结局。

MLL3 mutation is associated with high tumor immunogenicity and better therapy response in patients with COAD

在COAD中，研究人员通过Mll3-KO的CT26细胞RNA测序验证了TCGA组织中观察到的免疫相关通路上调现象。分析表明，MLL3突变与M1巨噬细胞和活化记忆CD4⁺ T细胞浸润增加、IFN-γ富集（C2）型免疫微环境相关。虽然MLL3突变状态与所有COAD患者的OS无显著差异，但在接受化疗或免疫检查点抑制剂治疗（针对PD-1/PD-L1）的患者亚组中，MLL3突变预示着显著更好的生存率。接收者操作特征（ROC）曲线分析进一步显示，在预测COAD患者免疫治疗后的2年OS方面，MLL3突变状态的预测能力优于患者年龄和治疗策略。

Mll3KO enhances immune-induced elimination of tumor cells in a COAD mouse model

为了在体内验证上述发现，研究人员构建了Mll3-KO的CT26细胞小鼠模型。有趣的是，在免疫健全的BALB/c小鼠中，Mll3-KO的CT26细胞无法形成肿瘤并被完全清除，而野生型细胞则生长旺盛。在免疫缺陷的BALB/c-nu小鼠中，Mll3-KO细胞虽生长较慢但仍能成瘤，这表明其成瘤潜能本身并未丧失，在免疫健全个体中的清除是免疫介导的。对BALB/c小鼠模型中收集的肿瘤组织进行单细胞RNA测序分析发现，Mll3-KO肿瘤内CD8⁺ T细胞比例显著升高，且这些细胞表达更高水平的细胞毒性分子（如Gzma, Gzmb）和IFN-γ，细胞周期通路也更活跃。细胞因子阵列分析也证实Mll3-KO肿瘤中多种促炎细胞因子上调。这些体内实验强有力地支持了Mll3缺失通过激活抗肿瘤免疫来抑制COAD生长的观点。进一步的CUT&Tag实验表明，Mll3缺失导致全基因组范围内H3K4me1和H3K27ac信号强度显著降低，从表观遗传层面揭示了Mll3调控基因表达和肿瘤行为的机制。

研究结论与意义

本研究首次在泛癌种层面系统描绘了MLL3的突变图谱，揭示了其突变具有组织特异性，并主要通过诱导点突变和小的indel（而非大片段CNV）来增加基因组不稳定性（如TMB）。研究最重要的发现之一是阐明了MLL3突变在塑造肿瘤免疫微环境中的关键作用，且这种作用具有背景依赖性。特别是在UCEC和COAD中，MLL3突变或与POLE共突变能够创造出一个“热”的、免疫活跃的肿瘤微环境，从而预示着更好的预后和对免疫化疗（包括免疫检查点抑制剂和化疗）的积极反应。机制上，MLL3缺陷可能通过损害DNA损伤修复导致TMB升高和肿瘤新抗原产生，进而激活cGAS-STING等先天免疫通路，最终招募和激活CD8⁺ T细胞等免疫细胞杀伤肿瘤。

该研究的局限性在于将MLL3的不同类型LoF突变合并分析，可能忽略了特定突变热点的影响；同时，缺乏合适的UCEC小鼠模型来验证MLL3在其中的免疫调节作用。

总而言之，这项研究极大地增进了我们对MLL3这一高频突变基因在癌症中功能多样性的理解。它不仅为MLL3作为UCEC和COAD等特定癌症的预后生物标志物提供了坚实证据，更重要的是，提示MLL3突变状态或MLL3/POLE共突变可能成为筛选免疫治疗优势人群的有效指标，为未来开展针对MLL3缺陷肿瘤的精准免疫治疗策略奠定了理论基础，对推动癌症的个体化治疗管理具有重要意义。