2021-11-05

Nat Rev Cancer|靶向肿瘤细胞转录周期

原创 huacishu 图灵基因 今天

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：huacishu

IF=60.714

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点：

1、作者利用转录周期的概念来解释基因表达过程的失调如何驱动肿瘤的发生，以及如何从全局或选择性转录干扰中产生治疗上有用的反应；

2、这一概念框架有助于解释肿瘤选择性转录依赖性，并有助于合理设计联合治疗疗法计。

近日彼得·麦克卡勒姆癌症中心Ricky Johnstone教授团队在国际知名期刊Nat Rev Cancer在线发表题为“Targeting transcription cycles in cancer”的研究论文。基因表达的精确调控对细胞正常发育至关重要，而转录失调是导致癌症发病的重要原因之一。与细胞周期调控类似，RNA聚合酶II驱动的转录可被视为一个单向多步骤的周期，每个细胞内有数千个独特的转录周期协同发生。每个转录周期包括募集、起始、暂停、延长、终止和循环阶段，这些阶段由转录周期蛋白依赖性激酶及其同源周期蛋白的协同作用以及转录磷酸酶控制。致癌性转录失调可能导致基因表达的缺陷。基于这些发现，靶向转录周期蛋白依赖性激酶和相关蛋白的小分子有望用于癌症治疗。在这篇综述中，作者利用转录周期的概念来解释这些精细调节的基因表达过程的失调如何驱动肿瘤的发生，以及如何从全局或选择性转录干扰中产生治疗上有用的反应。这将解释肿瘤选择性转录依赖性，并有助于联合治疗的合理设计。

癌症中的转录失调及其利用小分子抑制剂进行治疗最终会影响RNA聚合酶II（Pol II）依赖的基因转录，该基因转录由调控网络动态控制。在单个基因水平上，Pol II驱动的转录的单向、多步骤过程受TCDK及其同源细胞周期蛋白的协同作用控制。因此，它类似于CDK-细胞周期蛋白对的细胞周期调节，因此被称为“转录周期”。转录周期由称为预启动、启动、暂停、延长、终止和循环的阶段组成，每个阶段由检查点控制，检查点标记Pol II不可逆地进入下一阶段（图1a）。在考虑癌症中转录周期失调的影响时，需要考虑现有转录周期模型之外的其他复杂程度，例如细胞内和细胞间转录周期异质性的原因。细胞内转录周期异质性表现为大量转录周期，这些转录周期可以在每个细胞内的基因组中同时发生（图1b）。这发生在（1）单个基因水平上，当多个Pol II分子同时穿过单个转录单元时，几个转录周期同时运行；（2）在不同的基因水平上，基因固有特性决定每个转录周期阶段的持续时间和速率。此外，在不同的细胞类型之间，特定基因的转录周期参数存在显著差异，这导致了跨组织或癌症类型转录周期的细胞间异质性（图1c）。不同的基因选择性转录周期可能使特定基因易患癌症相关的转录失调，或者可能使特定的癌基因对核心转录成分的治疗靶向性敏感。这篇综述讨论了一个更新的转录周期模型，为研究提供了一个框架了解癌症中转录失调及其如何影响其治疗靶向性。

转录周期的第一步（图2）涉及起始前复合物的形成，该复合物由Pol II、TFIID和其他一般转录因子组成。TFIIH复合物包含CDK7、细胞周期蛋白H和其他亚单位，如MAT1和XPB，随后被招募到起始前复合物中，CDK7对Pol II CTD（Ser5）的磷酸化促进转录起始。CDK7同时控制mRNA募集，从而增加5′-cap8-11（图2）。CDK8和CDK19通过与MED12和MED13亚单位的物理相互作用，调节复合物的形成和启动子的募集以及中介体和Pol II的相互作用（图2）。然而，它们在Pol II转录周期控制中的主要作用与各种转录因子的磷酸化有关，这些转录因子促进不同基因的激活或抑制，包括E2F1、STAT1和SMAD靶基因。启动后，Pol II复合物几乎立即在转录起始点附近的区域暂停，这一过程称为转录暂停。暂停受DRB敏感性诱导因子（DSIF；由SPT4和SPT5组成）、延伸因子（NELF）复合物和阻止新生RNA13延伸的Pol II复合物构象变化的交互作用调节（图2）。为了进入延长阶段，Pol II需要招募CDK9和细胞周期蛋白T1复合物（称为阳性转录延长因子（P-TEFb））。P-TEFb是延伸的中心，介导DSIF成分SPT5、NELF亚单位和Pol II RPB1亚单位的多个残基在CTD的磷酸化。此外，CDK9在暂停-释放检查点以外的Pol II转录周期中起作用，包括调节转录终止。最近的研究表明，在暂停释放后，Pol II的进程性和延伸率由高度同源的激酶CDK12和CDK13控制，两者都与细胞周期蛋白K相互作用。

由于涉及MLL基因（MLL1）的染色体易位，CDK9活性可以选择性地增强（图3a）。MLL1重排通常导致嵌合体与含有P-TEFb的SEC成员融合，包括但不限于AF4、AF9、ENL和AF10。MLL1重排在婴儿血液系统恶性肿瘤（70-80%的B细胞急性淋巴细胞白血病；35-50%的AML）中很常见，并与5-10%的成人髓系白血病相关。MLL1融合嵌合体包含MLL1的染色质靶向N端结构域，促进P-TEFb向调节造血干细胞身份和自我更新的MLL1靶基因的增强募集，如HOXA基因簇（图3a）。因此，MLL1重排恶性肿瘤表现出造血祖细胞特有的CDK9依赖性基因表达程序。MLL1融合嵌合体还通过促进染色质修饰因子（如DOT1L组蛋白甲基转移酶和BET溴化酶蛋白BRD4）的募集来增强MLL1靶基因的转录。虽然MLL1融合嵌合体驱动的转录周期主要由MLL1结构域的靶基因识别来定义，但这些恶性肿瘤可高度依赖于编码癌细胞生长和存活关键调节因子的基因的持续表达，包括MYC、BCL2、MCL1和CDK6。这表明，促生长和存活基因的转录周期可能因影响P-TEFb招募的基因组改变而失调（图3a）。CDK12的复发性体细胞失活突变发生在许多癌症类型中，包括卵巢癌（316份样本中的3%）和前列腺癌（360份样本中的5-7%），以及三阴性乳腺癌（TNBC）和胃癌、肠癌和肺癌，使其被确认为真正的肿瘤抑制基因。CDK12突变包括错义突变，可阻止活性CDK12–CCNK复合物的形成，以及染色体重排、无义突变和INDEL突变，导致CDK12蛋白截短。CDK12失活突变的癌症通常表现为DNA损伤反应（DDR）和同源重组（HR）基因表达降低，以及以全基因组局部串联重复为特征的基因组不稳定性。有趣的是，在CDK12突变型癌症中，较长基因的转录周期失调（图3b）。这就增加了在这些癌症中发生基因选择性失调的可能性，从而使这些较长基因的转录周期更容易受到CDK12活性破坏的影响（图3b）。

与癌症相关的基因组改变种类繁多，可间接调节转录周期。这些突变总是导致高度特异性基因组（如控制造血分化和/或增殖的基因）转录周期的下游失调（图4）。特定基因转录失调的特异性是如何实现的还不完全清楚，人们承认可能存在一系列机制（图4）。例如，不同蛋白激酶的底物磷酸化（如转录因子或表观遗传调节因子的磷酸化）可能决定哪些基因在响应激活的致癌信号通路时表现出表达的改变（图4）。此外，不同转录因子和表观遗传修饰因子的催化功能、蛋白质-蛋白质相互作用域和DNA结合域（独立于其表达水平）将影响特定基因的表达（图4）。在不同癌症类型中表现出转录周期改变的基因的身份也可能由肿瘤特异性增强子的存在来定义。这些顺式元件可以放大核心转录机制的招募，从而促进致癌表型关键基因的表达。

而CDK7的催化活性对于所有Pol II依赖基因的转录启动以及其他TCDK的激活至关重要。这种现象可能是CDK7占有率和活性升高的结果，在T细胞急性淋巴细胞白血病（T-ALL）中使用共价抑制剂THZ1靶向CDK7、CDK12和CDK13优先减少Pol II向增强子相关基因的招募，包括那些编码关键转录因子RUNX1、TAL1和GATA3的基因，这些转录因子对于维持T-ALL中的促生长和促生存转录程序至关重要。此外，在AML中，结构相关的CDK7抑制剂SY-1365优先阻断增强子相关基因表达和抑制细胞增殖。编码mRNA转录的基因的稳定表达具有高转换率（即较短的半衰期）与编码长寿命转录的基因表达相比，可能对转录起始或延长的抑制表现出更高的敏感性。CDK7抑制剂可能具有程序特异性效应，如乳腺癌中内质网依赖性致癌转录因子活性的扰动。旨在降低雌激素水平或拮抗内质网活性的激素疗法已成为内质网阳性乳腺癌的有效一线疗法；然而，配体结合域（LBD）的突变有助于耐药性和患者复发。野生型和LBD突变体内质网都需要CDK7介导的转录激活域磷酸化来实现完整的转录活性。事实上，将CDK7、CDK12和CDK13抑制与THZ1或CDK7抑制与ICEC0942联合使用可阻断CDK7介导的内质网磷酸化，降低内质网依赖基因的表达，并在体外和体内减少人类乳腺癌细胞的增殖。此外，在人类乳腺癌异种移植模型中，CDK7抑制剂SY-5609和XL-102与一线激素疗法（如富维司特和他莫昔芬）可以协同发挥作用（图5b）。ICEC0942（更名为CT7001；NCT03363893）、SY-5609（NCT04247126）和XL-102（NCT04726332）已进入晚期实体癌的I–II期临床试验，包括与氟维司坦联合应用于乳腺癌患者。CDK9在促进Pol II转录延长中发挥的关键作用使得CDK9抑制剂非常适合治疗MYC扩增或MLL1导致的转录失调的癌症。据报道，CDK9抑制剂在体外和体内对MYC扩增的癌症具有治疗效果，例如AZ5576在MYC表达的弥漫性大B细胞淋巴瘤中，CDKI-73在MYC表达的CRC中，dinaciclib在IGH–MYC易位淋巴瘤中，UNC10112785在KRAS驱动的胰腺癌中（图5c）都具有治疗效果。CDK9抑制剂KB-0742已进入晚期实体癌和淋巴瘤（NCT04718675）的临床试验，在一组人类癌细胞系和患者来源的异种移植模型中发现与MYC扩增和CDK9依赖性致癌转录周期的抑制有关。类似地，针对CDK9蛋白嵌合体降解物的蛋白质水解降低了Pol II CTD Ser2磷酸化和Pol II延伸，并加速了各种MYC扩增癌中MYC蛋白的周转。CDK9抑制剂PC585、dinaciclib、CDKI-73和fadraciclib（CYC065）在体外和体内也抑制MLL1融合诱导的HOXA基因簇的表达，MLL1重排的AML细胞活性相应降低（图5c）。与之前讨论的AZ5576相关的AZD4573延长了移植人类MLL1重排AML细胞的小鼠存活时间，目前正在进行复发性血液恶性肿瘤的I期临床试验（NCT03263637）。与联合使用THZ1抑制CDK7、CDK12和CDK13类似，使用共价抑制剂THZ531抑制CDK12和CDK13会降低T-ALL178中的增强子基因表达（图5a）。与THZ1不同，THZ1降低了Pol II CTD的Ser2、Ser5和Ser7残基的磷酸化，THZ531导致了Ser2磷酸化的选择性丧失和Pol II延伸的整体损伤，此外还降低了增强子调节的谱系转录因子的表达，包括RUNX1、TAL1和MYB，最终导致细胞在体外的生存能力下降。最后，已经证明THZ531在间变性甲状腺癌、MLL重排AML和肝细胞癌中诱导细胞死亡和抗增殖反应（图5a）。事实上，CDK12和CDK13抑制剂降低了DDR基因表达，阻碍了DNA修复，并使细胞对PARP抑制剂敏感（图5d）。特别是，用CDK12和CDK13抑制剂SR-4835治疗使TNBC细胞系对PARP抑制剂敏感，并在体外和体内增强HR缺陷TNBC中的PARP抑制剂敏感性。类似地，在HAP1 CML衍生细胞和TNBC中，使用不同化合物MFH290和地那昔布抑制CDK12可降低HR基因表达，并阻碍HR依赖性DNA修复。

综上所述，靶向转录周期在肿瘤学中作为一种治疗方式具有巨大的前景。因此，有必要进一步了解控制转录周期的分子机制，并确定细胞中多个转录周期的个体特性如何与共转录过程一起影响细胞对其干扰反应的关键原则。新技术，如单细胞测序、单分子成像和CRISPR-CAS9基因组编辑技术，将对进一步加深对转录周期调控的理解和合理设计癌症治疗策略具有重要意义。

教授介绍

Ricky Johnstone教授是墨尔本大学彼得麦卡勒姆癌症中心主任。实验室的主要研究主题包括：RNA聚合酶II（POLII）转录周期的分子特征及其由细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）调控；研究表观遗传调节因子在癌症中的作用，以开发新的治疗策略：这包括免疫反应的表观遗传调节；剖析免疫系统在肿瘤发生和对抗癌症治疗反应中的作用；研究代谢重编程在血液系统恶性肿瘤中的作用以及靶向癌症代谢组的新方法；开发和使用多种“组学”方法来发现血液恶性肿瘤的新治疗靶点；开发最先进的小鼠模型，准确再现人类疾病。并且Ricky Johnstone教授以通讯作者在国际权威期刊Science Advances.、Nature Communications、Cancer Cell上发表论文多篇。

                       

参考文献

Vervoort SJ, Devlin JR, Kwiatkowski N, Teng M, Gray NS, Johnstone RW.Targeting transcription cycles in cancer. Nat Rev Cancer.2021;10.1038/s41568-021-00411-8. doi:10.1038/s41568-021-00411-8