组蛋白甲基转移酶PRDM9通过调控胆固醇代谢促进胶质母细胞瘤药物耐受持久细胞的生存

《Nature Communications》：Histone methyltransferase PRDM9 promotes survival of drug-tolerant persister cells in glioblastoma

本研究针对化疗后肿瘤复发难题，发现胶质母细胞瘤中药物耐受持久细胞（DTP）依赖组蛋白甲基转移酶PRDM9介导的代谢重编程机制。研究人员通过多组学分析结合CRISPR基因敲除技术，揭示PRDM9通过H3K4me3表观遗传调控胆固醇生物合成通路，帮助持久细胞抵抗化疗诱导的氧化应激。该研究首次阐明PRDM9在肿瘤代谢重塑中的关键作用，为联合靶向PRDM9和微管靶向剂治疗胶质母细胞瘤提供新策略。

　　

在神经肿瘤领域，胶质母细胞瘤（GBM）作为最常见且最具侵袭性的原发性脑肿瘤，其治疗一直面临巨大挑战。尽管DNA烷化剂替莫唑胺是当前标准疗法，但疗效有限，患者中位生存期仍不理想。近年来，微管靶向剂（MTAs）在临床前研究中显示出对胶质母细胞瘤细胞的靶向潜力，但由于血脑屏障的限制和药物耐受持久细胞（DTPs）的存在，其临床转化受到阻碍。

药物耐受持久细胞是肿瘤治疗中的"顽固分子"，它们不依赖永久性基因突变，而是通过可逆的非遗传机制在化疗中存活下来，成为肿瘤复发的根源。这些细胞能够进入类似休眠的状态，在药物撤除后重新焕发活力，导致肿瘤再生。胶质母细胞瘤细胞还通过超长膜突触（肿瘤微管）相互连接，形成耐药网络，进一步增加了治疗难度。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，科研团队揭示了组蛋白甲基转移酶PRDM9在胶质母细胞瘤持久细胞生存中的关键作用。PRDM9通常仅在生殖细胞中表达，负责减数分裂过程中的DNA重组，但在胶质母细胞瘤等多种癌症中异常激活。研究人员发现，化疗药物诱导的PRDM9上调通过表观遗传机制促进代谢重编程，特别是胆固醇生物合成通路，从而使持久细胞能够在化疗压力下维持稳态。

研究团队运用了多种关键技术方法：通过转录组学（RNA-seq）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）和脂质组学分析揭示持久细胞的分子特征；利用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建PRDM9敲除细胞模型；开发脑通透性微管靶向剂WJA88并进行体内外药效评价；采用组蛋白质谱分析表征表观遗传修饰变化；使用患者来源的胶质母细胞瘤干细胞系进行功能验证。

研究结果

胶质母细胞瘤持久细胞呈现转录组和脂质组重编程

研究人员发现，微管靶向剂CMPD1和tivantinib处理后的存活细胞表现出明显的形态学改变和增殖停滞，但在药物撤除后能恢复增殖能力。转录组分析显示，持久细胞中脂质定位和运输相关基因显著上调，而细胞分裂相关基因下调。脂质组学分析进一步揭示持久细胞具有独特的脂质特征，包括胆固醇（Chol）、神经酰胺（Cer）和磷脂酰丝氨酸（PS）水平降低，以及鞘磷脂（SM）和甘油二酯（DG）水平升高。

胶质母细胞瘤持久细胞显示组蛋白赖氨酸甲基化增加

质谱分析发现持久细胞中复制非依赖性组蛋白变体H3.3沉积增加，H3K27me3和H3K36me3修饰显著增强。有趣的是，虽然H3K4me3在治疗早期上升，但在后期通过组蛋白切割而减少，表明持久细胞发育过程中存在时间依赖性的染色质重塑。

PRDM9抑制剂MRK-740消除胶质母细胞瘤持久细胞

在表观遗传化合物筛选中，PRDM9抑制剂MRK-740能显著减少持久细胞数量，而其他甲基转移酶抑制剂效果有限。通过H3K4me3 ChIP-seq分析，研究人员确认MRK-740特异性抑制PRDM9的甲基转移酶活性，特别是在远端基因间区域。

PRDM9在胶质母细胞瘤中非必需但成为化疗诱导的脆弱点

尽管PRDM9在正常胶质母细胞瘤细胞中非必需，但在化疗诱导的有丝分裂停滞中表达上调。时序实验表明，PRDM9抑制仅在化疗期间有效，进一步支持其作为治疗诱导的脆弱点。

PRDM9依赖的H3K4me3调控胆固醇生物合成基因

整合RNA-seq和ChIP-seq数据分析发现，PRDM9通过H3K4me3修饰直接调控多个胆固醇生物合成基因（如DHCR7、DHCR24、EBP和MVD）的表达。在胶质母细胞瘤患者样本中，这些基因启动子区域的H3K4me3峰宽度与mRNA水平呈正相关。

PRDM9抑制剂MRK-740消耗持久细胞中的胆固醇

机制研究表明，PRDM9抑制通过降低胆固醇生物合成酶（如HMGCS1、MVD和DHCR24）的表达，显著减少胆固醇水平。值得注意的是，化疗诱导的氧化应激导致脂质过氧化，而持久细胞依赖PRDM9调控的胆固醇生物合成来维持膜稳定性。

脑通透性微管靶向剂联合胆固醇消耗提高胶质母细胞瘤异种移植模型的生存率

研究人员开发了代谢稳定性改善的脑通透性微管靶向剂WJA88，并在体内模型中验证其抗肿瘤活性。联合使用WJA88和胆固醇消耗剂LXR-623能显著抑制肿瘤生长，延长荷瘤小鼠生存期，且耐受性良好。

研究结论与意义

本研究首次揭示了PRDM9在癌症中的非减数分裂功能，阐明了其在胶质母细胞瘤持久细胞代谢适应中的关键作用。与传统观点不同，研究发现非增殖状态的持久细胞仍然依赖胆固醇生物合成来抵抗化疗诱导的氧化应激。这一发现拓展了对癌症睾丸抗原在肿瘤代谢重编程中作用的理解，为靶向PRDM9-cholesterol轴联合微管靶向剂治疗胶质母细胞瘤提供了理论依据。

研究的另一重要发现是挑战了当前关于H3K4me3在持久细胞中作用的认知。虽然先前研究强调KDM5介导的H3K4me3去甲基化是持久细胞的脆弱点，但本研究显示PRDM9依赖的H3K4甲基化是建立药物耐受状态的早期关键事件。这表明针对持久细胞的有效干预可能需要关注治疗初期的瞬时变化，而非稳定状态的特征。

从临床转化角度，本研究开发的脑通透性微管靶向剂WJA88与胆固醇靶向策略的组合，为克服胶质母细胞瘤治疗耐药提供了新思路。鉴于PRDM9在正常组织中表达受限，靶向PRDM9可能具有较好的安全性特征，为未来临床试验设计奠定了基础。

总之，这项研究不仅深化了对胶质母细胞瘤耐药机制的理解，也为开发针对持久细胞的新型联合治疗策略提供了重要依据，对改善这种致命性疾病的治疗结局具有重要意义。