KLF5的连锁反应推动了胰腺癌的转移

《Molecular Cancer》：A KLF5’s domino effect drives metastatic pancreatic cancer

胰腺癌转移性生长的分子机制研究揭示KLF5通过调控NCAPD2和MTHFD1介导表观遗传重编程。

　　

摘要

胰腺导管腺癌（PDAC）是美国癌症死亡的第三大原因，其中超过80%的病例被诊断为转移性PDAC（mPDAC）。在这项研究中，Maeda等人利用CRISPR技术在来自原发肿瘤和肺转移瘤的人源异种移植体中进行了筛选，发现转录因子KLF5是调节mPDAC表型的上游调控因子。通过结合生化实验、分子实验以及单细胞全基因组分析，作者发现KLF5能够诱导包括NCAPD2和MTHFD1在内的表观遗传修饰因子，这些因子进而调控特定的基因表达谱，从而控制mPDAC的生物学特性。总体而言，作者揭示了由KLF5触发的一系列连锁反应，这些反应改变了mPDAC的表观遗传景观，促进了转移性生长。

胰腺导管腺癌（PDAC）是最常见的胰腺癌类型，预计到2040年将成为美国癌症死亡的第二大原因[1]。这种致命的恶性肿瘤患者的5年总体生存率仅为约13%，主要是因为大多数患者在诊断时已经出现侵袭性和转移性病变[2, 3]。此外，现有的转移性PDAC（mPDAC）化疗方案患者的平均生存期仅为10至12个月[3]。因此，提高mPDAC的治疗成功率是一个亟待解决的挑战。

研究表明，尽管存在KRAS、TP53、CDKN2A和SMAD4等明确的遗传驱动突变，mPDAC仍由原发肿瘤中的表观遗传改变驱动并引发远处转移[4, 5]。此外，已有证据表明mPDAC的发病机制主要是由增强子重编程而非次要的体细胞突变引起的[6]。因此，mPDAC的关键病理特征主要由表观遗传景观而非基因组成决定。因此，研究表观基因组如何驱动和决定mPDAC的生物学特性将有助于开发提高治疗效果的新疗法。

在这项研究中，Maeda等人[7]利用全基因组CRISPR-Cas9敲除（KO）技术，旨在识别mPDAC特有的脆弱性。分析使用了来自原发肿瘤和肺转移瘤的患者源异种移植（PDX）衍生的PDAC细胞模型[5]。他们发现Krüppel样因子5（KLF5）是这些mPDAC模型的转移驱动因子。KLF5是一种在多种癌症类型中高表达的转录因子，可调控与细胞增殖、迁移和分化相关的基因[8]。为了进一步研究KLF5在转移中的作用，研究人员在转移性PDAC细胞系中敲低了KLF5的表达，观察到KLF5能够抑制细胞迁移，从而证明其对转移性生长至关重要。此外，他们还发现KLF5能够恢复异染色质标记H3K9me2/3并降低常染色质标记H3K27ac的水平，这表明原发肿瘤细胞中的表观遗传重编程可能导致PDAC的转移[6。为了进一步探究KLF5在PDAC中的表观遗传作用，研究人员在其细胞模型中进行了单细胞多组学分析，发现转移性细胞中KLF5表达水平升高，染色质可及性增强，并且富含上皮-间充质转化、黏附和迁移相关基因。在缺乏KLF5的情况下，开放染色质区域减少，细胞增殖能力下降，说明KLF5对维持mPDAC的表观遗传重编程至关重要。

为了进一步探讨KLF5作为表观遗传调控因子的功能，研究人员通过比较CRISPR KO筛选中抑制转移细胞增殖的基因与KLF5的直接转录靶标，寻找KLF5的下游效应基因。研究发现两个先前被证实为表观遗传修饰因子的基因：非SMC染色体结构维持复合体亚基D2（NCAPD2）和亚甲基四氢叶酸脱氢酶/环氢化酶/甲酰四氢叶酸合成酶1（MTHFD1）。NCAPD2参与有丝分裂过程中的染色质浓缩和分离，以及基因组稳定性和细胞分化的维持[9；而MTHFD1是一种叶酸代谢酶，在转录调控过程中作为染色质调节因子BRD4的辅因子[10。功能验证实验表明，敲低KLF5会影响NCAPD2和MTHFD1的表达，反之亦然，这表明KLF5和MTHFD1之间存在反馈机制。此外，在缺乏KLF5的情况下，原发肿瘤和转移性肿瘤中的H3K27ac水平降低，而H3K9me2/3水平升高，这与mPDAC中的表观遗传重编程现象一致。Maeda等人[7得出结论，KLF5作为NCAPD2和MTHFD1等表观遗传修饰因子的上游调控因子，促进了mPDAC特有的组蛋白修饰。

总之，这项研究揭示了一条由KLF5触发的“多米诺效应”途径，该途径通过表观遗传重编程促进PDAC向转移阶段的进展（图1）。尽管这项研究将KLF5确定为值得进一步研究的靶点，但mPDAC中表观基因组调控的分子机制尚未完全阐明。未来的研究（如对PDX衍生的PDAC细胞模型进行ChIP-Seq或Hi-C分析）将有助于识别直接与KLF5相互作用的表观遗传介质，并揭示该转录因子调控的mPDAC三维基因组结构，从而直接证明KLF5如何调节表观遗传景观。在转化医学领域，已有针对结直肠癌（一种也受KRAS突变驱动的恶性肿瘤）的小分子抑制剂的临床前试验取得成功[11。由于目前尚无有效的生物标志物来预测mPDAC标准治疗方案的效果，基于转录组的预测性分析已成为这类疾病精准医疗的重要进展[12。例如，将KLF5纳入转录组特征有助于选择针对mPDAC的有效疗法[13，从而预测耐药肿瘤并提高患者的总体生存率。

图1

该图展示了研究的主要发现。KLF5以“多米诺效应”方式触发一系列反应，诱导表观遗传修饰因子NCAPD2和MTHFD1的表达，这些因子进而调控与mPDAC相关的基因（如TGFBR2、ITGB1和EMP1）的表达。

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