超級增強子腫瘤

我們基因組中里發生的一丁點變化都可能會促進癌基因（oncogene）的表達，導致腫瘤發生（tumorigenesis）。

圖1腫瘤遺傳學。不論是圖上半部的遺傳性突變，還是下半部的獲得性突變都會導致腫瘤發生。

腫瘤里發生的絕大多數復發的體細胞突變（recurring somatic mutations）都會影響到基因組里的蛋白編碼區域。這些突變既可以激活癌基因，又可以使抑癌基因失活。不過也有好幾種突變會影響基因組里占比更大的那一部分——非編碼區，但這同樣會導致基因表達的改變。這其中就包括大范圍的基因組重排（largescale genomic rearrangements），從而為某個癌基因引入一個強力的啟動子，或者將某個癌基因的啟動子置于一個強力轉錄增強子的作用范圍之內。Mansour等人在大約5%的T細胞急性淋巴細胞白血?。═ cell acute lymphoblastic leukemias， T-ALL）患者中發現了一個非常小的突變，但這種突變卻可以引入一個非常大的、功能超強的增強子，導致患者癌變。

最近發現，大部分讓我們患病的遺傳性基因組變異（inherited genomic variants）都位于基因組非編碼區內，所以很多人都開始到腫瘤細胞的基因調控區域（gene regulatory regions）里尋找寶藏——體細胞突變，或稱獲得性突變（acquired mutations），也因此在黑素瘤（melanoma）細胞里發現了一個影響端粒末端轉移酶催化亞單位（telomerase catalytic subunit， TERT）近端啟動子（proximal promoter）的致病性突變（“driver” mutations）。雖然我們發現了越來越多能夠影響遠端增強子（distal enhancers）的致病性可遺傳突變，可是直到最近，才發現了一些能夠影響增強子的體細胞突變。

Mansour等人的發現主要是基于對TAL1癌基因高表達的T-ALL的觀察而得來的。TAL1是一種DNA結合轉錄因子，以往的研究也發現，在TAL1癌基因附近有一些大范圍的重排會導致該基因表達水平升高，但這一次又有了新發現。淋巴瘤（lymphoma）細胞只會表達TAL1等位基因中的一個基因，這說明一定在過表達的那個等位基因附近存在一個新的順式作用元件突變（cis-acting mutation）。Mansour等人為了發現這個突變，圍繞該基因的調控區域開展了大量的研究工作，看看其中哪些區域具備基因表達調控能力。他們發現Jurkat和MOLT-3這兩個T-ALL細胞系都攜帶一個長達20kb的H3組蛋白第27位賴氨酸乙?；揎椝皆龈叩膮^域，這種修飾與轉錄增強子和啟動子的活性有關。對Jurkat和MOLT-3這兩個T-ALL細胞系，以及原代T-ALL細胞系的該區域進行測序發現，在TAL1基因轉錄起始位點上游7.5kb的地方，插入了一段2~18個堿基組成的片段，即發現了一個插入突變。這些插入片段引入了1至2個MYB家族轉錄因子的識別位點。后續的試驗發現，這些位點都能夠與MYB轉錄因子結合，而且結合之后還會繼續招募其他幾個轉錄因子，比如GATA3、TCF12、RUNX1和TAL1等對造血作用（hematopoiesis）有調控功能的轉錄因子，以及CBP轉錄輔激活蛋白（transcriptional coactivator）等因子。

這些研究結果都表明，該插入突變形成了一個新的增強子，所以導致TAL1等位基因過表達。為了驗證這個假說的真偽，Mansour等人決定使用CRISPR–Cas9基因組編輯技術來看看MYB結合位點是否對TAL1等位基因的表達起到了上調作用。將該增強子區域缺失掉之后，組蛋白乙?；揎椝胶蚑AL1蛋白的表達水平雙雙出現下調，這說明發現的增強子形成突變（enhancer-forming mutation）的確起到了T-ALL疾病致病突變的作用。此外，與TAL1增強子結合的造血轉錄因子也能夠與TAL1蛋白協同作用，互相進行調控，形成一個自我調節的正反饋通路。因此，在TAL1等位基因上游新出現的這個MYB結合位點的真正作用可能就是形成了這樣一個正反饋途徑，使TAL1等位基因鎖定在一個病態的活化狀態，從而導致腫瘤發生。由于在其他T-ALL病例中也發現在該基因上游存在一些突變情況不同，但都具備類似調控功能的突變，所以我們認為，不論每位患者體內發生的致病突變有多么不同，最終的結果一定是一樣的，就是使TAL1等位基因鎖定在一個病態的活化狀態，從而導致腫瘤發生。

與之前發現的與增強子有關系的大范圍基因組重排而導致的致病突變不同，Mansour等人發現的這種突變只是由幾個堿基組成的、小規模的插入突變，但是也會引入1至2個轉錄因子結合位點，形成一個強力的增強子，促使腫瘤發生。該發現極大增加了未來工作的難度，除了需要了解參考基因組（reference genome）的功能之外，也非常需要了解每一個腫瘤細胞基因組的調控能力。Mansour等人的發現肯定也會引起一股新的、在其他腫瘤細胞中尋找這種小型突變的風潮。但是要在基因非編碼區里找到，并且確認這種小型致病突變的難度也是非常大的，因為我們目前對基因調控區的認識本來就還不夠深入，而使用短讀長測序技術（short-read sequencing）又難以明確地發現小型的插入或者缺失突變。也正因為如此，Mansour等人采用的研究策略，即針對表達異常的等位基因進行研究，找到可以導致調控能力發生變化的突變，然后再用功能缺失試驗加以驗證，這樣一套策略才顯得格外有潛力。

圖2腫瘤細胞基因組的非編碼區突變。（A）圖中介紹了大范圍的基因組重排突變。染色體間的易位會導致癌基因的啟動子（例如MYC基因）被置于一個強力調控區域（如圖中紅色的Igκ位點）的作用范圍之內。染色體內缺失也同樣可以增強癌基因的表達，在染色體1中一段80kb缺失序列的擴增就可以促使受STIL1啟動子控制的TAL1癌基因表達。轉錄增強子活性區域也會受到具備擴增或病毒DNA插入的影響。（B）小規模體細胞致病突變也會影響非編碼區。TERT癌基因近端啟動子因為發生了堿基替換突變，所以形成了一個ETS轉錄因子識別位點。Mansour等人發現的非編碼插入突變也形成了一個MYB轉錄因子結合位點，并形成了一個新的增強子，促使TAL1癌基因表達。

Mansour等人開展的研究之所以顯得非常有價值還有另外一個重要的原因，因為他們發現了一個重要的基因組功能特征——一種能夠代表強力增強子相關染色質標志物的信號。一直以來，這種區域一直被賦予了各種稱謂，比如位點控制區域（locus control regions）、DNase I超高敏位點（DNase I super-hypersensitive sites）、或者超級增強子（super-enhancers）等。目前對這類區域還沒有一個非常明確、統一的、嚴格的定義。除此之外，我們也不清楚這些區域是否是一種特有的生化元件（biochemical entity），或者它們彼此之間，以及與傳統的增強子之間只不過在作用強度上存在數量上的區別，而非本質上有任何區別?；蚪M學一直以來都比較關注定性方面的問題，比如發現一些新的基因、轉錄子、結合位點或組蛋白修飾等特征。很少會關注相對濃度、活性，或者某種特征的重要性等問題。但是初級生物化學告訴我們，涉及大量相互作用的高階反應（high-order reactions）對反應物濃度方面的改變是非常敏感的。也有多個研究發現，具有強力增強子的基因對各種擾動也更加敏感，比如粘聚因子（cohesin）、介質（mediator）、BRD4等染色質修飾因子、CDK7等轉錄裝置組份等關鍵轉錄調控因子的活性下降都非常敏感。

很多腫瘤的致病基因在腫瘤發生的過程中都會受到強力增強子的影響。因此，找到這些與增強子有關的基因組標志之后，科研人員們就可以重點關注他們的作用了。尤其應該重點關注涉及眾多增強子標志（enhancer signatures）的超級增強子，他們對各種擾動極為敏感，因此也很有可能會成為一個非常有潛力的抗癌新靶點。（生物谷Bioon.com）

原文檢索：

Anna Vähärautio  & Jussi Taipale. (2014) Cancer by super-enhancer. Science， 346：1291-1292.

Eason/編譯

原文地址：http://www.lifeomics.com/?p=34089