下面是小编为大家整理的癌症中超级增强子、相分离凝聚物和3D基因组组织,供大家参考。
和 癌症中的超级增强子、相分离凝聚物和 3D 基因组组织
抽象 3D 染色质组织在转录调控和基因表达中起着重要作用。3D 基因组由几种结构蛋白高度维持，如 CTCF，阴阳 1 和凝聚素复合物。这种结构组织使调控 DNA 元件靠近其靶启动子。本文讨论了超级增强子的 3D 染色质组织及其与相分离凝聚物的关系。超级增强子是 DNA 元素的大簇。他们可以在转录过程中通过染色质循环与靶启动子进行物理接触。多种转录因子可以与增强子和启动子序列结合，并招募复杂的转录共激活剂和 RNA 聚合酶 II 阵列来实现转录激活。转录因子和转录共激活子的相分离凝聚物与在特定增强子处组装转录机制有关。癌细胞可以劫持超级增强子来驱动致癌转录，促进细胞存活和增殖。这些失调的转录程序会导致癌细胞高度依赖转录调节剂，如 Mediator 和 BRD4。此外，由超级增强子驱动的癌基因的表达对转录扰动敏感，并且通常发生在相分离的凝聚物中，支持靶向 SE 组分，3D 基因组组织或癌症中失调的凝聚物的治疗理由。
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超级增强剂; 染色质循环; 相分离冷凝水;3D 基因组组织; 癌症; 靶向染色质相互作用的药物 1. 引言 真核细胞中基因表达的调控是一个协调的生物过程，依赖于转录因子（TF）、转录共激活物（如介体复合亚基（MED1）和 BRD4）以及 RNA 聚合酶 II（RNA Pol II）在特定基因组位点的有效组装（图 图 1）[1]。在这里，我们回顾了我们理解超级增强子（SE）和相分离的凝聚物在癌症基因转录激活中的作用的最新进展。特别是，我们调查了迄今为止已鉴定出的靶向 SE，染色质相互作用和相分离凝聚物的广泛药物。我们重点介绍了未来调查的关键领域，并推测了如何利用这些药物治疗癌症。
图 图 1.高密度转录因子、共激活剂（BRD4、MED1 和 p300）和 RNA 聚合酶 II 在超级增强子中的积累通过相分离驱动转录缩合物的形成。转录缩合物的形成是一个合作过程，涉及弱多价蛋白质 - 蛋白质相互作用和静电蛋白质 - RNA 相互作用的组合。
2. 超级增强剂的成分和鉴定
SE 是跨越 10 kb 以上的相邻增强子簇，具有高倍数增强子活性，可驱动细胞型特异性基因表达[2]。3D 基因组组织使 SE能够与特定的基因启动子相互作用并协调其活性，这可以通过在含有 SE 的基因组位点处的染色质相互作用的高频来证明[3]。SE 含有许多 TF 结合位点，并且富含增强子相关的染色质特征，例如主 TF（例如，胚胎干细胞中的 Oct4，Sox2，Nanog 和Klf4[4]），RNA Pol II，MED1 和染色质修饰剂（p300 和 BRD4）。招募的因子改变染色质结构，导致与启动子和 RNA Pol II的相互作用，RNA Pol II 是由增强子 - 启动子循环介导的过程（图 图 1）。相分离可能有助于 SE 的组装和功能[5]。
SE 的定义是对主 TF、共激活子 BRD4、MED1、p300 或增强子特异性组蛋白标记（如 H3K27ac 和 H3K4me1）的富集ChIP-seq 信号进行排名[6，7，8]。为了便于在计算机中识别 SE，开发了 ROSE 等方法，其中基于 H3K27ac ChIP-seq 峰拼接相邻增强子，并且通过排序的 H3K27ac ChIP-seq 信号图中存在的拐点将 SE 与典型增强子分开。高于过渡点的顶级增强子被指定为 SE [4]。与典型的增强子相比，SE 具有更高的转录因子密度、大小和激活转录的能力[4]。例如，尽管 SE 和典型增强子都被 Oct4 和 Nanog 等主 TF 占据，但 SE 被 TF 占据的密度更大，这对于 Klf4 等 mESC 标识至关重要。SE 的组蛋白修饰水平至少超过典型增强子一个数量级[4]。
这些 SE 谱可用于鉴定参与细胞身份和疾病状况的主基因[2，4]。此外，SE 分析有助于我们识别各种癌症类型中的潜在药物靶点。例如，通过分析 t（4;14）易位多发性骨髓瘤中的 SE，SE 相关基因 HJURP 被确定为潜在靶标，因为其沉默受损的细胞生长并诱导细胞凋亡[9]。此外，通过绘制急性髓系白血病（AML）中的 SE 图谱，鉴定出一种具有 SE 驱动的 RARα 的 AML细胞亚型对 RARα 激动剂 SY-1425 敏感[10]。
超级增强剂和染色质相互作用
人类基因组被组织成高阶结构，这些结构对于转录调控很重要[11]。单个染色体占据细胞核的不同区域，称为染色体区域，这些区域本身在空间上隔离在 A 和 B 区室中。A 区室与主动转录的基因相关，而 B 区室与表观遗传沉默基因和基因不良 DNA相关。全基因组 Hi-C 分析显示，位于同一染色体上的位点比位于不同染色体上的任何两个位点的相互作用更频繁[12]。在亚兆基尺度上，染色质被划分为更小的结构，称为拓扑关联域（TAD）。TAD 是自相互作用的环状结构域，包含相互作用 的顺式 调节元件和靶基因[13]。染色质纤维被组织成一组 DNA 环，这些环与远处区域建立染色质相互作用并调节基因的活性。这可以通过环挤出模型来解释，在该模型中，频繁的瞬态环由染色体（SMC）复合物的结构维持组织，这些复合物在染色质中卷曲，形成在 CCCTC 结合因子（CTCF）边界处停止的生长环[14，15]。TAD 边界由收敛取向的 CTCF 结合位点划定，这些位点阻碍环挤出和内聚蛋白易位。CTCF 蛋白充当环锚点，并将 TAD 与邻近区域隔离。绝缘邻域是染色体环，由 CTCF 同源二聚体结合，由内聚蛋白复合物占据，并且包含至少一个基因[16，17]。大多数增强子-启动子相互作用都包含在绝缘邻域内[18]。
一些 SE 相关因子，如 CTCF 和凝集素复合物介导 SE 内染色质相互作用[18]。集成的 Hi-C 和 ChIP-seq 数据分析确定了丰富的 CTCF 结合，以及分层 SE 中集线器增强子处存在的更高频率的染色质相互作用[19]。因此，CTCFs 调节细胞类型特异性和癌症特异性 SE[20]。
SE 的转录活性被限制在由 CTCF 和内聚蛋白复合物包围的绝缘邻域内，使得 SE 被特异性地束缚在其靶基因上。凝集素丢失导致骨髓肿瘤的发展[21]。在 SE 成分中观察到介导长程染色质相互作用和染色质环状物的凝聚蛋白和 CTCF 分子的占用率较高，这表明连接 SE 和启动子的环受到严格控制[22]。在 T 淋巴细胞白血病中，靶向 IL7R 位点的 SE 被限制在同一 CTCF 组织的邻域内[23]。由强 TAD 边界隔离的 SE 在癌症患者中经常共同复制[24]。
通过删除其中一个边界处的 CTCF 结合位点来破坏绝缘染色质邻域，导致区内基因失调和邻域外基因激活[16]。在体内小鼠模型中验证了 SE 结构域边界处的功能 CTCF 占用[25]。在乳腺组织中，乳腺特异性 Wap SE（由三种组成增强子组成）激活了由三个 CTCF 位点分开的相邻非乳腺基因 Ramp3。虽然 CTCF 不能完全阻断 SE 活性，但小鼠中 CTCF 的缺失证明了消音基因激活的能力。CRISPR/Cas9 介导的 3 个 CTCF 位点缺失并未改变 Wap 表达，但通过建立 Wap SE 的 S3 与 Ramp3 的第一个内含子之间的染色质相互作用，使 疣 小鼠乳腺组织中的 Ramp3 表达增加（7 倍）[25]。这表明 CTCF 位点是多孔边界而不是紧密的块，它们掩盖了存在于绝缘邻域外的次级靶基因的 SE 介导的激活。因此，原癌基因可以在通过邻域外存在的增强子失去绝缘边界时在癌细胞中被激活[26]。
在癌症模型中，MYC 癌基因水平升高与侵袭性肿瘤有关。实现这种失调的方法之一是通过获取存在于 2.8 Mb MYC TAD内的大型肿瘤特异性 SE。在肿瘤细胞中，MYC 位点的 SE 被循环到 MYC 启动子内的一个共同 CTCF 位点（图 图 2A）[27]。肿瘤细胞中 MYC 启动子-近端 CTCF 结合位点的 CRISPR/Cas9 介导的扰动导致 MYC 启动子与 MYC 下游远端 SE 之间的染色质
相互作用减少，表明 CTCF 对接位点在介导增强子-启动子循环中是必要的[27]。这些 MYC 增强子与 dCas9-DNMT3A-3L 蛋白和特异性gRNA的DNA甲基化降低了MYC在K562和HCT-116癌细胞系中的表达，可能是由于甲基化时CTCF结合的废除[27]。
图 图 2.在癌症中解除管制的基因和结构，可能成为癌症治疗的靶向。
最近，对 T 细胞急性淋巴细胞白血病（T-ALL）的 3D 基因组组织进行了表征，其中在 T-ALL 的 MYC 位点中观察到 TAD融合，使其启动子与 SE 发生染色质相互作用[28]。MYC 位点中的 TAD 融合与 TAD 间相互作用增加和 CTCF 结合缺失有关。这种融合使 MYC 启动子和 SE 接近，建立染色质相互作用，这些相互作用在正常 T 细胞中通过绝缘分离。因此，CTCF 介导的TAD 绝缘决定了 MYC 启动子与 SE 的染色质环状物的可及性。此外，还注意到 SE 下游 CTCF 结合增加，这可以作为介导 SE和基因相互作用的超级锚[29，30]。
各种dCas9系统，如dCas9-KRAB [31]，dCas9-DNMT3A [31]，dCas9-DNMT3A-3L [31]，dC9Sun-D3A [32]和dCas9-MQ1 [33]，可用于潜在地靶向增强子对接位点的甲基化并改变 CTCF 与这些对接位点的结合。随着 CRISPR/Cas9 和 CRISPR/dCas9载体递送的改进[34，35]，靶向致癌增强子对接位点和使用这些载体的超级锚点可能成为潜在的未来癌症疗法。
癌症中超级增强剂的获取的机制
癌细胞可通过染色体重排、DNA 突变和插入缺失、3D 染色质结构改变或病毒癌基因获得致癌 SE[36，37，38]。特别是，TAD 边界的破坏和染色质相互作用失调可以激活癌基因表达。例如，突变或插入为主 TF 创建了一个新的结合位点，这些 TF 招募其他因子并形成强 SE，然后激活相邻的癌基因。CTCF 结合位点的缺失导致通过并置的 SE 激活沉默的癌基因。活化诱导的胞苷脱氨酶的结合会引发基因组不稳定和基因易位，从而导致癌基因接近 SE[39]。SE 对转录药物的扰动异常敏感[40]。与 SE
活性相关的组分（如转录共激活剂）浓度的微小变化会导致 SE 相关基因转录的剧烈变化[41]。因此，通过靶向这些成分来破坏SE 相关基因转录似乎是抗癌治疗的一种有希望的方法。我们将在 2.3 节中讨论针对这些组件的方法。
靶向转录共激活剂和染色质重塑剂
BRD（BRD2-4 和 BRDT）和细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK7 和 CDK9）等共激活剂可能靶向破坏 SE。据报道，几种溴多马因和末末结构域外（BET）抑制剂以及 CDK 抑制剂靶向 SE，如表 表 1 所示。例如，MM1 的治疗。使用 JQ1（BRD4 抑制剂）的 S 型骨髓瘤细胞导致 SE 时 BRD4 优先丢失，并选择性抑制 SE 驱动的 MYC 转录[41]。在其他癌症类型中也观察到类似的影响，例如结直肠癌[42]，卵巢癌[43]，默克尔细胞癌[44]，B 细胞淋巴瘤[45]和肺泡横纹肌肉瘤[46]。
表 表 1.靶标及其潜在的破坏 SE 组分的抑制剂。
CDK7 和 CDK9 在由 RNA Pol II 磷酸化介导的转录的启动和伸长中很重要。CDK7 抑制剂（THZ1）在全球范围内改变了 H3K27ac 标记。在慢性骨髓性白血病中，THZ1 破坏了 SE 相关基因 XBP1 的转录并根除了白血病干细胞[47]。对 CDK7 抑制剂敏感的几种癌症亚型，例如食管鳞状细胞癌[48]、三阴性乳腺癌（TNBC）[49]、MYCN 依赖性神经母细胞瘤[50]和非小细胞肺癌[51]。有关更多详细信息，我们向读者推荐了几篇优秀的评论，这些评论总结了癌症特异性 SE 和潜在的 SE 抑制剂。
ATP 依赖性染色质重塑器由 SWI / SNF，ISWI，INO80 和 CHD 家族组成。SWI/SNF 复合物是远端谱系特异性增强子活性的主要调节因子[52]。小鼠胚胎成纤维细胞中该复合物的缺失导致 H3K27ac 丢失和增强子失活[52]。使用 AU-15330（SMARCA2 和 SMARCA4 的 PROTAC 降解剂）的 SWI/SNF ATP 酶降解导致 SE 与 AR、FOXA1 和 MYC 癌基因启动子的3D 环相互作用被破坏，并降低前列腺癌细胞中的致癌表达[53]。
INO80 复合物占据 SE 并通过调节介质募集和核小体占用来驱动癌性转录[54]。INO80 的沉默导致 SE 相关基因的下调和黑色素瘤细胞生长的抑制[54]。NuRD 复合物 CHD4 定位于 SE 并调节 SE 的可及性，PAX3-FOXO1 融合蛋白结合并激活融合阳性横纹肌肉瘤中 SE 驱动的基因转录[55]。
抗癌药物赖氨酸特异性去甲基化酶 1（LSD1）抑制剂（NCD38）激活 GFI1-SE，并通过激活白血病细胞的分化诱导系从红系向髓系的转换[56，57]。NCD38 从 GFI1-SE 中驱逐组蛋白抑制修饰剂，如 LSD1，CoREST，HDAC1 和 HDAC2[57]。介质相关激酶（如 CDK8）充当 SE 介导转录的负调节因子。介质激酶抑制剂皮质抑素 A（CA）抑制 CDK8 并激活 AML 中肿瘤抑制因子和谱系控制器的 SE 相关转录[58]。由于 I-BET151（BET 抑制剂）和 CA 对 SE 相关基因转录具有相反的影响，作者认为癌细胞可能取决于 SE 相关基因表达的剂量。联合治疗没有中和相反的影响，而是抑制了细胞生长[58]。
FT-1101、RO6870810 （TEN-010）、I-BET762、BMS-986158、OTX-015 （MK-8628）、ABBV-075、AZD5153、BI 894999、ODM-207、ZEN-3694、PLX51107、NUV-868、TQB3617 和 CPI-0610 等 BET 抑制剂正在血液学和实体瘤 （http://clinicaltrials.gov/）
进行临床试验。而 CDK7 抑制剂如 SY-5609，XL102 和 CT7001 正在进行晚期实体瘤（http://clinicaltrials.gov/）的临床试验。这些抑制剂正在临床试验中单独测试或与其他药物联合使用。
转录因子 IIH（TFIIH）是一种 10 亚基复合物（核心单元 XPB，XPD，p62，p52，p44，p34 和 p8;可解离单元 MAT1，CCNH 和 CDK7），可调节 RNA Pol II 转录。Triptolide 抑制 TFIIH 复合物的 XPB 亚基，并破坏胰腺癌中 SE 相互作用和下调SE 相关基因（MYC，BRD4，RNA Pol II 和 COL1A2）[59]。Minnelide（曲普内酯的原药）正在进行难治性胰腺癌（NCT03117920）和胰腺腺鳞癌（NCT04896073）的 II 期临床试验。口服治疗药物 GZ17-6.02（602）包含姜黄素、异香兰素和哈米的混合物，已知其影响胰腺导管腺癌 SE 相关基因处的组蛋白乙酰化正在接受晚期实体瘤和淋巴瘤的 1 期临床试验（NCT03775525）[60]。
对超级增强剂药物的耐药性
虽然 SE 药物似乎很有希望治疗，但 BRD4 抑制剂 JQ1 的耐药性已在乳腺癌和 AML 中报道。SE 在已建立的 JQ1 抗性TNBC细胞系中获得，并且以溴多蛋白独...
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