《Journal of the National Cancer Center》：Genetic and epigenetic mechanisms underlying treatment-induced neuroendocrine prostate cancer
编辑推荐：
这篇综述系统阐述了治疗诱导性神经内分泌前列腺癌（t-NEPC）这一致死性去势抵抗性前列腺癌（CRPC）亚型的发病机制。文章重点揭示了在神经内分泌转化（NET）过程中，尽管基因组改变相对保守，但表观遗传程序（包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质可及性和3D染色质组织）发生了显著重编程，并深入探讨了关键遗传改变（如RB1、TP53缺失和MYCN扩增）与谱系特异性转录因子（如FOXA2、SOX2）及染色质调节因子（如EZH2）之间的协同作用，为理解谱系可塑性及开发新疗法提供了重要见解。
1. NEPC的出现
前列腺癌（PCa）是美国男性中最常被诊断的癌症，也是癌症相关死亡的第二大原因。大多数PCa是前列腺腺癌（PRAD），其生长高度依赖于雄激素受体（AR）信号通路。因此，雄激素剥夺疗法（ADT）和AR通路抑制剂（ARPi）是治疗晚期PCa的基石方案。尽管大多数患者初始反应良好，但部分肿瘤最终会复发并进展为去势抵抗性前列腺癌（CRPC）。这种获得性耐药通常是由AR信号通路在低雄激素环境下的再激活所驱动。
然而，约15-20%的CRPC病例可通过一种称为谱系可塑性的替代机制产生耐药性。这些肿瘤通常表现出对AR信号通路的依赖性降低，甚至变为AR阴性，并获得神经内分泌特征。这种PCa亚型被称为治疗诱导性神经内分泌前列腺癌（t-NEPC），其发病率在过去十年随着ARPi的广泛使用而上升。本文重点关注t-NEPC，而非更为罕见、研究较少的de novoNEPC。
NEPC可通过其独特的组织学特征和分子标记与PRAD区分。NEPC具有小细胞神经内分泌组织学特征，如小细胞形态、高核质比和“椒盐样”染色质。这些癌细胞通常表达神经内分泌谱系标记物，如烯醇化酶2（ENO2/NSE）、嗜铬粒蛋白A（CHGA）、突触素（SYP）和神经细胞粘附分子（NCAM/CD56），而AR及管腔谱系基因（如KLK3和TMPRSS2）的表达则显著下调。NEPC肿瘤侵袭性强，从活检诊断起的中位总生存期仅为16.8个月。
2. 与NEPC发展相关的主要遗传改变
2.1. 遗传缺失
NEPC通常以RB1、TP53和PTEN等著名肿瘤抑制基因的遗传改变为特征。RB1的等位基因缺失在70%的NEPC病例中被观察到，而在CRPC患者中仅为32%。TP53肿瘤抑制基因的突变存在于66.7%的NEPC病例中，而在CRPC患者中为31.4%。重要的是，RB1和TP53的联合改变在53.3%的NEPC病例中发现，而在CRPC样本中仅为13.7%。在临床前模型中，Rb1和Trp53的共同缺失会导致转基因小鼠模型对ADT产生耐药性。相比之下，肿瘤抑制基因PTEN的改变频率在NEPC和PRAD中相似。
2.2. 遗传获得
肿瘤抑制基因的缺失是NEPC的主要遗传驱动因素，但癌基因的基因组扩增也在疾病进展中起关键作用，其中MYCN和 Aurora 激酶 A（AURKA）最为常见。这两个基因在40%的NEPC中过表达和扩增，而在PRAD中仅为5%。多项证据支持MYCN过表达是NEPC的驱动事件。MYCN过表达与AKT1激活相结合，可将正常基底上皮细胞转化为表现出小细胞或混合NEPC形态的肿瘤。在Pten基因敲除的GEM模型中，MYCN过表达也能减少AR信号，同时增加神经内分泌标记物的表达。AURKA已知能在神经母细胞瘤中稳定MYCN，并且可使用Aurora-A抑制剂来降低部分NEPC患者的MYCN蛋白水平。
3. 谱系特异性转录因子的失调
3.1. 管腔转录因子的缺失
AR表达和AR信号的减少或完全丧失是NEPC的特征。与CRPC不同，NEPC缺乏AR远端增强子扩增，以及AR基因扩增或突变，表明存在非遗传性的下调机制。叉头盒A1（FOXA1）作为AR共因子和先锋因子，在PRAD和CRPC中调节AR cistrome。FOXA1缺失可诱导上皮-间质转化（EMT）并通过IL8-ERK轴促进神经内分泌分化。同源盒13（HOXB13）是一个前列腺特异性基因，与AR协作，对前列腺发育至关重要。HOXB13基因在约30%的mCRPC病例中发生高甲基化和下调，其在NEPC中的表达也下调。RE1沉默转录因子（REST）是神经元基因表达的主要抑制因子，其在NEPC PDX模型中的表达降低。
3.2. 神经元和干细胞转录因子的获得
叉头盒蛋白A2（FOXA2）是NEPC的一个标志性先锋因子。FOXA2过表达足以通过诱导并与神经谱系转录因子NKX2-1协作，驱动多个PCa模型的NET。SOX2是一个参与胚胎干细胞发育的先锋转录因子，其在NEPC患者样本中表达上调。虽然对RB1和TP53双敲除细胞中的NEPC转化至关重要，但SOX2本身不足以驱动此过程。POU家族转录因子是神经发生的关键调节因子。脑特异性同源盒2（BRN2，由POU3F2编码）通过占据其启动子来诱导SOX2表达，两者协作激活耐药异种移植模型中的神经元基因表达。单切同源盒2（ONECUT2）被确定为mCRPC和低分化神经内分泌肿瘤中的主调节因子，其过表达可抑制AR及AR靶基因，并诱导神经分化。
4. DNA甲基化的改变
4.1. CRPC和NEPC背后不同的DNA甲基化景观
DNA甲基化是一种表观遗传修饰，通常导致染色质压缩，并与基因启动子处的转录抑制相关。研究表明，虽然CRPC和NEPC共享许多基因组改变，但它们的DNA甲基化谱截然不同。例如，AR基因在NEPC中表现出基因体低甲基化和启动子高甲基化。HOXB13基因启动子在部分CRPC和NEPC中也高度甲基化。技术进步使得能够在循环游离DNA（cfDNA）中检测甲基化模式，有望未来实现无创诊断。
4.2. 甲基化改变的分子驱动因素
DNMTs（包括DNMT1, DNMT2, DNMT3）在NEPC患者样本中的表达高于CRPC。在NEPC类器官模型中敲低DNMT1和DNMT3可显著降低神经内分泌谱系基因的表达。研究表明，CRPC中携带RB1缺失的患者表现出更高的DNMT表达和差异甲基化状态。与此同时，TET酶，特别是TET2，在慢循环细胞中上调，介导DNA羟甲基化并驱动前列腺谱系可塑性和AR治疗耐药。一些谱系转录因子，如FOXA1和FOXA2，可与TET蛋白相互作用并将其招募到谱系特异性增强子。
5. 组蛋白修饰和染色质可及性的改变
5.1. 组蛋白甲基化调节因子的失调
EZH2是PRC2的催化亚基，催化组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化（H3K27me3）。EZH2在NEPC中的表达高于PRAD和CRPC。EZH2被证明是NET的关键介质，例如MYCN与PRC2复合物相互作用，将其招募到AR增强子以抑制雄激素信号通路。赖氨酸特异性去甲基化酶1（LSD1，也称为KDM1A）是NEPC中的另一个表观遗传调节因子，其及其异构体LSD1+8a在NEPC中高表达并可调节NEPC肿瘤生长。
5.2. 组蛋白乙酰化调节因子的失调
H3K27ac是活跃染色质标记，与转录活性相关。PRAD和NEPC PDX中H3K27ac ChIP-seq分析显示，两者之间的顺式调控元件分布存在显著差异。溴结构域包含蛋白4（BRD4）读取染色质上的H3K27ac标记，并与E2F1协作促进NEPC细胞生长。EP300（p300）和CREB结合蛋白（CBP）是催化组蛋白乙酰化的组蛋白乙酰转移酶（HATs）。研究表明，FOXA2与神经谱系转录因子NKX2-1相互作用，协同招募p300/CBP到神经内分泌谱系增强子以激活神经内分泌转录程序。组蛋白去乙酰化酶（HDACs）在PCa进展中也至关重要。
5.3. 染色质可及性的变化
染色质可及性是指DNA从核小体上解缠绕的程度。分析不同解剖部位（如前列腺和肺）的神经内分泌癌（NEC）的染色质可及性发现，NEC的染色质景观在很大程度上相似，但与各自的腺癌相比则截然不同。ASCL1是一个在NEPC中上调的促神经元转录因子。在诱导的LNCaP衍生物42D中，ASCL1富集于干细胞和神经元谱系增强子。ASCL1的敲低会降低这些增强子的染色质可及性。FOXA1和FOXA2是决定前列腺癌谱系的关键先锋因子。FOXA1缺失可诱导神经内分泌形态和基因表达。我们最近的研究表明，FOXA2过表达通过其先锋因子作用迅速增加神经内分泌增强子处的染色质可及性。SWI/SNF复合物是一种ATP依赖性染色质重塑复合物，在染色质重塑中起关键作用。
5.4. 3D染色质重组
染色质架构在多个尺度上组织。最近的研究表明，3D染色质结构表现出细胞类型特异性，并由谱系特异性转录因子介导。我们首次检测了NEPC中的染色质组织，发现CRPC和NEPC在区室模式上存在显著差异。在染色质环水平上，NEPC和CRPC富集的环与其各自谱系特异性增强子激活和基因表达相关。例如，在NEPC中，AR和HOXB13位点的增强子-启动子相互作用丢失，而这些区域活跃增强子标记H3K27ac和H3K4me1也丢失。相反，在已知的神经内分泌调节因子（如ASCL1和INSM1）的基因组位点，相互作用增加。机制上，这些谱系富集的染色质相互作用受谱系特异性转录因子调控。神经内分泌增强子结合的先锋因子FOXA2与主要结合在基因启动子的神经转录因子NKX2-1相互作用，导致增强子-启动子染色质环的形成。
6. NET过程中的克隆选择与转化
目前证据强烈支持t-NEPC是通过谱系可塑性和转分化从PRAD发展而来。临床数据显示NEPC和CRPC共享许多关键的遗传改变，表明它们可能有共同的祖先。在临床前PCa模型中，谱系追踪技术证明，Pten/Trp53双敲除小鼠中的局灶性神经内分泌分化是由管腔前列腺腺癌细胞的转分化产生的。原发性PCa具有高度异质性和多灶性。从早期到晚期PCa的进展通常遵循“多克隆到单克隆进化”模型。在CRPC-NE背景下，近期研究支持选择CRPC中预先存在的克隆作为治疗耐药和NEPC肿瘤进化的机制。尽管NEPC在遗传上似乎源自CRPC中预先存在的克隆，但CRPC和NEPC之间的表观基因组存在显著差异，这对于定义谱系特异性基因表达至关重要。使用单细胞多组学方法，我们发现了在管腔和神经内分泌状态之间过渡的细胞，具有中间的染色质可及性和基因表达模式，支持克隆转化。
7. 结论与展望
在ARPi强化治疗后，约20%的CRPC转化为NEPC。虽然CRPC和NEPC之间的基因组改变相对保守，但它们的表观遗传程序高度不同，导致不同的转录程序和表型。谱系可塑性已被确定为NEPC发展的关键机制。此过程中涉及的许多驱动因素已被识别，但其如何特异性激活神经内分泌谱系程序以及协调表观遗传重编程的基本问题仍然存在。理解谱系特异性转录因子结合、表观遗传重塑和三维染色质重组之间的精确时间顺序和相互作用至关重要。此外，理解克隆动力学有助于设计旨在完全预防NEPC出现的联合疗法。对肿瘤微环境如何影响NEPC进化的全面理解，将最终为这些患者带来更有效的治疗方法。
