去甲基化酶JARID1D 在前列腺癌侵襲和轉(zhuǎn)移中的研究進展

謝清華 張永斌* 師長宏*

(1.廣州中醫(yī)藥大學動物實驗中心,廣州 510405；2.空軍軍醫(yī)大學實驗動物中心,西安 710032)

前列腺癌(prostate cancer,PCa)是全球男性第二大惡性腫瘤,異質(zhì)性是其最為主要的臨床特征,也是影響其治療效果的主要因素[1]。雖然雄激素剝奪可有效控制腫瘤生長,但大部分會形成去勢抵抗性前列腺癌(castrate-resistant prostate cancer,CRPC)[2]。若進一步使用雄激素受體(androgen receptor,AR)靶向抑制劑治療,在延長患者生存期的同時會誘導神經(jīng)內(nèi)分泌性前列腺癌(neuroendocrine prostate cancer,NEPC)和侵襲變異性前列腺癌(aggressive variant prostate cancer,AVPC),出現(xiàn)特征性轉(zhuǎn)移,導致臨床上的難以治愈[3]。因此,開展前列腺癌侵襲和轉(zhuǎn)移的相關(guān)機制研究,探索新的治療靶點,對前列腺癌的臨床治療具有重要意義。

近年來,針對前列腺癌新興治療靶點的研究開展了大量工作。不少研究者開始關(guān)注前列腺癌的性別特異性,亦即它的生物學性上的特征,并由此將探索思路進一步延續(xù)到了Y 染色體上的相關(guān)蛋白。根據(jù)已有文獻的報道,在Y 染色體上表達的雄性特異性蛋白可起到抑制腫瘤侵襲的作用[3]。其中,作用比較明確是組蛋白去甲基化酶JARIDID,它的表達變化極有可能促發(fā)前列腺癌發(fā)生包括骨轉(zhuǎn)移在內(nèi)的一系列轉(zhuǎn)移表型。2016 年Li 等[4]通過細胞學實驗和動物實驗發(fā)現(xiàn),去甲基化酶JARIDID 能通過抑制細胞侵襲相關(guān)基因的表達程序,從而達到抑制前列腺腫瘤侵襲與轉(zhuǎn)移的效果?；诖?本文將從去甲基化酶JARID1D 的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、酶屬種類以及調(diào)控機制等方面探討其在抑制前列腺癌侵襲與轉(zhuǎn)移中的研究進展。

1 去甲基化酶JARID1D 的簡介

1.1 JARID1D 的本質(zhì)與屬性

去甲基化酶JARID1D 最初被報道為Y 染色體上的一種組織相容性抗原,是被研究得最少的一種異構(gòu)體。近年來,隨著實驗研究的不斷深入,JARID1D 的結(jié)構(gòu)和功能不斷被解析。它是組蛋白H3 賴氨酸4(H3K4)結(jié)構(gòu)上的一種去甲基化酶,其同類尚有Paralogs UTY、KDM6C 等其它的去甲基化酶。值得一提的是,JARID1D 是一種男性特異性蛋白,學界又常稱之為kdm5d 或者smcy。該表觀遺傳調(diào)節(jié)劑可通過去甲基化H3K27me3 和H3K4me3 來調(diào)節(jié)染色質(zhì)的酶活性,從而對基因表達產(chǎn)生深遠的影響[5-7]。據(jù)Isensee 等[8]在2008年的研究發(fā)現(xiàn),JARID1D 作為一種性別特異性基因,在雄性小鼠的心臟和心肌中均有特異性表達,其能降低心血管疾病的發(fā)病率。2016 年,Li 等[4]提出,JARID1D 能通過抑制與細胞侵襲相關(guān)基因的表達,從而達到抑制前列腺癌細胞侵襲與轉(zhuǎn)移的作用,因此,JARID1D 與前列腺癌的關(guān)系不斷被深入研究。

關(guān)于癌細胞侵襲與轉(zhuǎn)移之間的發(fā)展關(guān)系,腫瘤學研究普遍認為,增強癌細胞的侵襲能力對于其轉(zhuǎn)移能力的強化是必不可少的,而無論是癌細胞的侵襲還是轉(zhuǎn)移,均是在表觀遺傳的調(diào)控下進行的[5-7]。因此,主導表觀調(diào)控的基因,其所表達的組蛋白甲基化修飾物與腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移有著或正或負的相關(guān)性[8]。

截至目前,已有多個明確的研究結(jié)果支持上述觀點。例如,Harmeyer 等[9]于2017 年發(fā)現(xiàn)H3K27甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2 可以通過抑制抑癌蛋白的表達而誘導前列腺腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移；又如,該團隊在胃癌的研究之中發(fā)現(xiàn),JARID1D 在癌細胞中的過度表達可以明顯降低癌細胞的活力,表明它具有直接的抑制腫瘤生長的作用[9]。除了上述促進轉(zhuǎn)移的組蛋白修飾物的過度表達之外,抑制轉(zhuǎn)移的組蛋白甲基化修飾劑的丟失還可能促進癌細胞的轉(zhuǎn)移。正如Komura 等[10]在2016 年的研究中提出,JARID1D在許多轉(zhuǎn)移性前列腺癌中存在表達下調(diào)甚至缺失的情況。

因此,系統(tǒng)性歸納和總結(jié)JARID1D 在前列腺癌中的已知功能,并探索該去甲基化酶在染色質(zhì)調(diào)控靶向性方面的作用,將為前列腺癌的臨床治療提供更多的潛在靶點。

1.2 JARID1D 的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與抑瘤功能

表觀遺傳是指由非DNA 序列改變引起的、可遺傳的基因表達水平的改變,包括DNA 甲基化、組蛋白修飾、RNA 調(diào)控和染色質(zhì)重塑等。組蛋白乙酰化、磷酸化、泛素化、甲基化、sumo 化及ADP 核糖糖基化等組蛋白修飾發(fā)生在多種、特異的位點上,且相互之間,調(diào)控影響,進而產(chǎn)生多種組合,構(gòu)成了復雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),該過程被稱之為“組蛋白密碼”。長期以來,由于未發(fā)現(xiàn)組蛋白去甲基化酶,因此,組蛋白甲基化被認為是不可逆的、穩(wěn)定的表觀遺傳標志[11]。直到2006 年,Chen 等[12]發(fā)現(xiàn)了第一個組蛋白去甲基化酶LSD1(lysine specific demethylase1),繼而組蛋白去甲基化酶被大量發(fā)現(xiàn),并據(jù)此論證了組蛋白去甲基化是一個可逆的過程,使得表觀遺傳學的研究更為寬廣和深入。相關(guān)文獻證實,組蛋白去甲基化酶的作用位點在組蛋白賴氨酸或精氨酸殘基上。截止到目前,已發(fā)現(xiàn)兩類組蛋白賴氨酸去甲基化酶,包括LSD1 和含有JmjC 結(jié)構(gòu)域的組蛋白賴氨酸去甲基化酶[5-7]。

JARID1D 就是這樣一種含有JmjC 結(jié)構(gòu)域的組蛋白賴氨酸去甲基化酶。它作為JARID 1 家族的重要成員之一,與該家族的其它3 個成員一樣,也包含多個保守結(jié)構(gòu)域,這些結(jié)構(gòu)域定義了它們的活性和底物特異性。其中,JmjC 結(jié)構(gòu)域是它的催化核心,該結(jié)構(gòu)域由包括組蛋白脫乙基酶在內(nèi)的多種蛋白質(zhì)構(gòu)成,并可調(diào)控多種基因的轉(zhuǎn)錄,進而影響到細胞的周期進程,參與癌癥的發(fā)生發(fā)展[13]。

去甲基化酶不僅能調(diào)節(jié)正常細胞的命運,而且具有致癌和抑癌的雙重功能[14]。但在前列腺癌的研究之中,討論得最多的是去甲基化酶JARID1D 在調(diào)節(jié)腫瘤惡性轉(zhuǎn)化的譜系可塑性方面的能力,亦即其抑瘤的功能[15]。Komura 等[10]在體外和體內(nèi)實驗中均發(fā)現(xiàn)JARID1D 能特異性抑制前列腺癌侵襲相關(guān)基因,如MMP1、MMP2、MMP3、MMP7 等,并通過H3K4 這樣一種基因激活物,在啟動子處進行去甲基化從而發(fā)揮抑瘤功能。

近年來,人們對JARID1D 蛋白抑瘤功能的認識越來越深入,越來越細化,更進一步認識到這些功能的發(fā)揮是建立在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的。由于JARID1D 蛋白在抑制腫瘤侵襲性方面具有重要作用,研究者開始關(guān)注JARID1D 抑制劑的開發(fā),例如臨床上所常用的一種抑制劑——組蛋白去乙?；敢种苿?HDACs),它對某些惡性腫瘤具有部分療效,其治療靶點便與JARID1D 所在的JARID1 家族密切相關(guān)。有證據(jù)表明,JARID 1 蛋白可以直接與HDACs 相互作用,以介導其抑制作用。這些作用為評估包括HDACs 在內(nèi)的抑制劑的療效提供了理論基礎(chǔ)。目前,基于HDACs 已經(jīng)建立起了一系列的臨床用藥[16-17]。

2 去甲基化酶JARID1D 的酶屬種類

2.1 JARID1D 的上游酶——H3K4 系列酶

去甲基化酶的功能發(fā)揮主要依賴于其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)決定了它對不同底物結(jié)合的親和性。保持酶活性的空間結(jié)構(gòu)是維持其酶活性功能所必備的環(huán)節(jié)。一種酶只作用于一類化合物或一定的化學鍵,以促進一定的化學變化,并生成一定的化學產(chǎn)物,這種現(xiàn)象稱之為酶的特異性或?qū)Ｒ恍?。而酶的這種特異性,很大程度上取決于與其從屬酶之間的調(diào)控關(guān)系。去甲基化酶JARID1D 的上游酶稱之為單體化組蛋白H3 賴氨酸4(H3K4me1)[18-20],該組蛋白是一種活性基因,它可以作為基因激活標記,在啟動子處參與多種轉(zhuǎn)錄復合物的抑制,通過影響轉(zhuǎn)錄的起始,最終導致某些復合物的轉(zhuǎn)錄抑制。

2.2 JARID1D 的核心阻遏子——ZMYND 8

H3K4 作為一種組蛋白系列酶,其單體結(jié)構(gòu)的種類較多[21]。其中,與JARID1D 相關(guān)的兩個單體結(jié)構(gòu)分別是H3K14ac 和H3K4me1。此二者均為單體化的組蛋白,亦為一種活性基因,具備基因激活功能。然而,以之為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的合體——雙組蛋白修飾標記H3K4me1-H3K14ac,功能則與之相反[22]。研究發(fā)現(xiàn),H3K4me1-H3K14ac 能被ZMYND 8(又稱RACK 7)所識別和捕捉,并抑制基因的功能表達[23]。

而在該過程中,ZMYND 8 發(fā)揮了核心阻遏子的作用,能拮抗轉(zhuǎn)移相關(guān)基因的表達。例如,Harmeyer等[9]在2017 年即證實,敲除該基因會增強腫瘤細胞的體外和體內(nèi)侵襲能力,從而反向證明了ZMYND 8的抑制侵襲與轉(zhuǎn)移的能力。

作為JARID1D 在H3K4 去甲基化酶上的轉(zhuǎn)錄核心阻遏子,ZMYND8 的這種拮抗能力亦延續(xù)到了JARID1D 上面,因此,JARID1D 也具備了類似的抑瘤功能。同時,Harmeyer 等[9]也發(fā)現(xiàn),ZMYND 8 發(fā)揮抑制侵襲和轉(zhuǎn)移功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),便是ZMYND 8中的同源結(jié)構(gòu)域(PHD)和溴域盒,此二者介導了ZMYND 8 對H3K4me1-H3K14ac 的組合識別。這些發(fā)現(xiàn)揭示了H3K4me1-H3K14ac 在抑制轉(zhuǎn)移的基因表達中所起的重要作用,并通過這種潛在的聯(lián)系,深層次揭示了JARID1D 在與腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因下調(diào)中,所延續(xù)的一種表觀遺傳機制[24-26]。

3 JARID1D 在前列腺癌中的生物學性及其抑制侵襲的功能

3.1 JARID1D 在前列腺癌生物學性中的體現(xiàn)

生物學性即為男女性別相關(guān)因素的差異,其對生物體的生長發(fā)育和生理活動有著深遠的影響,尤其是在細胞信號、新陳代謝和免疫反應(yīng)等方面。它們產(chǎn)生于激素暴露中特定性別的差異,以及與XX染色體補體和XY 染色體補體相關(guān)的內(nèi)在遺傳和表觀遺傳差異。近年來,生物學性被認為是多種癌癥的發(fā)病率、臨床表現(xiàn)和療效預后的決定性因素,包括與男女性別相關(guān)的癌癥如前列腺癌、乳腺癌、卵巢癌等等[27-29]。例如,據(jù)Jangravi 等[30]在2015 年的研究指出,男性特異性Y 染色體的全部或部分缺失與前列腺癌的發(fā)生密切,而JARID1D 正是Y 染色體上發(fā)揮抑制前列腺腫瘤侵襲作用的男性特異性基因。這一發(fā)現(xiàn)可以被認為是生物學性在前列腺癌病程發(fā)展之中的一個具體體現(xiàn),也側(cè)面論證了JARID1D 這樣一種雄性特異性蛋白在前列腺癌發(fā)展過程中的重要性與獨特性。

3.2 JARID1D 抑制前列腺癌的侵襲

2015 年Jangravi 等[30]的研究發(fā)現(xiàn),Y 染色體上特有的去甲基化酶JARID1D 具有抑制前列腺癌侵襲和轉(zhuǎn)移的作用。其中一個關(guān)鍵性證據(jù)就是,在高達52%的前列腺癌患者中,Y 染色體存在完全和部分缺失,而位于Y 染色體上的去甲基化酶JARID1D的敲低,可以提高上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子如N-Cadherin 和Slug 的表達,從而達到抑制前列腺癌侵襲的作用。公共數(shù)據(jù)庫分析亦表明,該基因的缺失通常發(fā)生在轉(zhuǎn)移性前列腺癌而非原發(fā)性前列腺癌。在轉(zhuǎn)移性前列腺癌中,JARID1D 的表達通常極低甚至缺失,且它的表達高低與前列腺癌患者的預后良莠密切相關(guān),亦為確鑿之佐證。

上述發(fā)現(xiàn)表明,編碼于Y 染色體上的表觀遺傳修飾物JARID1D,具有抑制前列腺癌進展的抗侵襲作用,這些證據(jù)也強調(diào)了使用JARID1D 作為晚期前列腺癌預后指標的可行性和可信度。

4 JARID1D 在前列腺癌臨床預后和異種移植中的情況

4.1 JARID1D 作為前列腺癌的預后指標

分析臨床宏觀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),與正常前列腺組織和原發(fā)性前列腺癌相比,在轉(zhuǎn)移性前列腺癌中,JARID1D 的表達水平明顯偏低,而低水平的JARID1D 與前列腺癌患者的預后不良密切相關(guān)。因此,臨床上常常使用JARID1D 作為晚期前列腺癌預后療效的一項觀察指標。

正如Li 等[4]在2016 的研究發(fā)現(xiàn),為了確定JARID1D 水平是否與前列腺癌患者的臨床表現(xiàn)有關(guān),作者對39 例前列腺癌患者進行了Kaplan-Meier生存分析,并對其進行了免疫組化評估。結(jié)果表明,低水平的JARID1D 與前列腺癌患者的整體生存狀況密切相關(guān)。為了確定JARID1D 在原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性前列腺腫瘤中的表達差異,研究者采用免疫組化的方法比較了JARID1D 在正常前列腺癌組織、原發(fā)性前列腺腫瘤和轉(zhuǎn)移性前列腺腫瘤中的表達水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與正常組織(10%,2/21)相比,轉(zhuǎn)移性前列腺腫瘤中JARID1D 的蛋白水平顯著降低(100%,6/6),原發(fā)性前列腺腫瘤中JARID1D 蛋白水平亦明顯降低(41%,28/68)。此外,低水平JARID1D mRNA 組的前列腺癌患者總體生存率較差[30-32]。上述結(jié)果均提示,使用JARID1D 作為前列腺癌新的預后指標是切實可行的。

4.2 JARID1D 在前列腺癌異種移植模型中的表達

去甲基化酶JARID1D 在前列腺癌的異種移植模型中有著極為明確的表達方式——調(diào)控腫瘤的發(fā)生與轉(zhuǎn)移。2015 年,Jangravi 等[30]用shJARID1D和對照組shRNA 處理前列腺癌細胞系DU145-Luc2,將處理后的細胞注入小鼠的尾靜脈。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在這種異種移植模型中,癌細胞通過血液系統(tǒng)侵入遠端器官,并在轉(zhuǎn)移部位(主要是肺)以腫瘤的形式生長。實驗結(jié)果顯示,該種癌細胞注射之后,shJARID1D 組小鼠(n=15)的熒光素酶信號顯著高于對照組(n=9)。隨后,作者分別使用HE 染色和免疫組化染色的方法,進一步證實了shJARID1D 組小鼠腫瘤的形成,無論是腫瘤的大小還是轉(zhuǎn)移的范圍均顯著高于對照組,提示JARID1D 具備抑制前列腺癌細胞系DU145 侵襲的能力。

5 展望

去甲基化酶JARID1D 是抑制前列腺癌侵襲和轉(zhuǎn)移的重要驅(qū)動基因,其表達水平的高低多少、缺失與否,均與前列腺癌的病情發(fā)展密切相關(guān)。前列腺癌的發(fā)病率、臨床表現(xiàn)以及預后等因JARID1D 的表達水平而存在較大差異[33-35]。這些發(fā)現(xiàn)揭示了JARID1D 與轉(zhuǎn)移相關(guān)基因之間的一種表觀遺傳機制,該去甲基化酶JARID1D 的發(fā)現(xiàn),對研究前列腺癌如何利用染色質(zhì)調(diào)節(jié)酶機制發(fā)揮調(diào)控疾病進展等方面提供了新的思路,為前列腺癌的臨床治療,提供了潛在的治療靶點[36-38]。

但是,臨床研究和實驗研究均已證實,前列腺癌的發(fā)生發(fā)展主要受AR 信號的調(diào)控[6]。然則,JARID1D 是否也受AR 信號的調(diào)控? 前列腺癌臨床常發(fā)的骨轉(zhuǎn)移是否亦受JARID1D 的調(diào)控,其具體促發(fā)骨轉(zhuǎn)移的機制又是什么[39-41]? JARID1D 的表達與前列腺癌的激素依賴以及與AVPC/NEPC 的轉(zhuǎn)化之間又有何具體關(guān)系[42-43]? 上述問題的解答清楚,則尚需要一系列的轉(zhuǎn)化模型,進行驗證。