阿霉素通过嵌入染色质调控区抑制转录延伸并诱导RNA聚合酶II降解的机制研究

本研究深入探讨了化疗药物阿霉素（Doxorubicin）作为DNA嵌入剂在白血病细胞中对染色质结构和转录过程的调控机制。通过基因组定位技术（Chem-map）发现阿霉素优先结合于启动子、增强子、超增强子等调控区域的核小体游离区（NFR）及基因内含子区域。研究首次揭示阿霉素处理显著降低依赖转录延伸的组蛋白修饰H2B第120位赖氨酸泛素化（H2BK120ub），并导致RNA聚合酶II最大亚基（RPB1）降解，而非此前报道的H3K4me3丢失。这些发现为理解阿霉素抗癌机制提供了新的表观遗传视角。

　　

引言

阿霉素作为蒽环类化疗药物，自20世纪60年代起广泛应用于癌症治疗。其通过嵌入DNA双螺旋，抑制拓扑异构酶II（topoisomerase II），导致DNA双链断裂。近年研究发现，阿霉素可促进启动子附近核小体更替和溶解，但其对染色质修饰和转录调控的具体机制尚未明确。

材料与方法

研究采用K562（慢性髓系白血病）和MOLM-13（急性髓系白血病）细胞系，使用9 μmol/L阿霉素处理4小时。通过组蛋白提取、免疫印迹（SDS-PAGE）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）和基因组学分析（ATAC-Seq）等技术，结合Python脚本进行统计学处理和基因组区间分析。

结果

1. 1.

   阿霉素结合位点的基因组分布

   通过化学修饰的阿霉素（Dox-btn1）捕获技术发现，95%的结合峰位于核小体游离区域（NFRs）。基因区域分布显示：转录起始位点（TSS）占35.9%，基因间区28.1%，内含子15.1%。典型案例如SNX16基因显示，阿霉素峰与ATAC-Seq峰重叠，且两侧富含H3K4me3和H3K9ac修饰的核小体。

2. 2.

   宽域H3K4me3基因与阿霉素结合

   对具有宽域H3K4me3分布的基因（如MYC、PIM1、ATF4）分析表明，其基因体内存在多个阿霉素结合位点，但宽域修饰仅使阿霉素结合率轻微升高（37.3% vs 33.5%）。这表明阿霉素可广泛结合于基因体内含子等区域，可能阻碍RNA聚合酶II延伸。

3. 3.

   增强子/超增强子区域的结合

   阿霉素峰与增强子数据库（EnhancerAtlas 2.0）和超增强子（SE）区域高度重叠。例如β-珠蛋白基因座中，位点控制区（LCR）和HBG1/HBG2基因附近的增强子/超增强子均显示密集的阿霉素结合。计算分析表明60%增强子和98%以上超增强子含有阿霉素结合位点。

4. 4.

   对组蛋白修饰的影响

   与先前报道不同，阿霉素处理并未改变H3K4me3、H3K9ac、H3K27me3、H3K36me3等修饰水平，但显著降低H2B第120位赖氨酸泛素化（H2BK120ub）。该修饰在SDS-PAGE上呈现特征性smear条带，且在K562和MOLM-13细胞中一致性下降。H2AK119ub在K562细胞中也有所降低，但组蛋白变体H2A.Z和H3.3未见变化。

5. 5.

   RNA聚合酶II降解

   免疫印迹显示阿霉素处理导致RNA聚合酶II最大亚基RPB1（包括磷酸化IIO和非磷酸化IIA形式）显著降解，同时细胞核内组蛋白H4水平保持稳定。这表明转录延伸过程被特异性抑制。

讨论

研究揭示阿霉素通过嵌入基因调控区域（启动子、增强子、超增强子）和基因体内含子，引起拓扑应力并导致RPB1降解。H2BK120ub作为转录延伸的动态标记，其快速消失反映了转录抑制的即时效应。与拓扑异构酶抑制剂依托泊苷（etoposide）不同，阿霉素特有的DNA嵌入能力是其引发转录机制特异性的关键。该发现为优化蒽环类药物抗癌疗效提供了新的分子靶点。

致谢

研究由加拿大卫生研究院（CIHR）和曼尼托巴癌症护理基金会资助，并得到生物信息学核心平台的技术支持。