2月3日，國際學(xué)術(shù)期刊PNAS在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）徐國良研究組和季紅斌研究組合作的最新研究成果 “Loss of TET reprograms Wnt signaling through impaired demethylation to promote lung cancer development”。通過對公共臨床數(shù)據(jù)的深入分析并結(jié)合一系列臨床前的自發(fā)成瘤小鼠模型，該研究揭示了DNA雙加氧酶TET家族蛋白調(diào)控肺上皮細(xì)胞癌變過程中DNA甲基化的動態(tài)平衡，維持肺腺癌（lung adenocarcinoma, LUAD）發(fā)生發(fā)展中關(guān)鍵致癌信號通路Wnt signaling的拮抗基因的低甲基化及適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)，以確保Wnt signaling不被過度活化，進(jìn)而抑制肺上皮細(xì)胞的癌前病變及肺腺癌的惡性進(jìn)展。
徐國良組長期致力于TET雙加氧酶及其介導(dǎo)的DNA氧化去甲基化的分子機理及生物學(xué)功能的研究（Xu et al., Nat Chem Biol, 2020）。TET酶能夠迭代氧化5-甲基胞嘧啶（5mC），依次產(chǎn)生5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）、5-醛基胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC），而5caC能被DNA糖苷酶TDG特異識別并切除，隨后偶聯(lián)堿基切除修復(fù)實現(xiàn)DNA主動去甲基化?；谶@條DNA主動去甲基化通路，徐國良組也深入探討了其在小鼠早期胚胎發(fā)育、成體神經(jīng)發(fā)生與認(rèn)知、體細(xì)胞重編程及原腸運動中的生物學(xué)功能。本研究中，徐國良團隊聯(lián)合季紅斌研究組將目光投向了重大疾病發(fā)生發(fā)展進(jìn)程中TET酶會扮演怎樣的角色？會有怎樣的轉(zhuǎn)化應(yīng)用前景？
眾所周知，表觀遺傳的異常存在于各種類型的癌癥中，并且表觀遺傳改變經(jīng)常與遺傳改變協(xié)同作用驅(qū)動致癌表型，其中就包括DNA甲基化的失衡。鑒于TET家族基因在血液腫瘤中相對較高的突變頻率，絕大部分研究都關(guān)注TET酶在這類癌癥中的作用。相比之下，由于突變頻率較低，TET酶在實體腫瘤中究竟發(fā)揮怎樣的作用？與血液系統(tǒng)腫瘤中的功能有何異同？TET基因的突變或TET酶的功能缺失是否會在實體腫瘤發(fā)生發(fā)展中賦予癌細(xì)胞選擇性的生長優(yōu)勢？這些問題都還缺乏研究。
為了回答這些科學(xué)問題，研究人員分析發(fā)現(xiàn)TET基因在肺癌、腸癌及皮膚癌中的突變頻率較高。鑒于肺癌在全球范圍內(nèi)的發(fā)病率和致死率居高不下，研究人員選擇將最主要的肺癌亞型肺腺癌作為研究對象。進(jìn)一步分析顯示，TET基因在7.4%的肺腺癌中發(fā)生突變，與致癌驅(qū)動基因KRAS存在共突變關(guān)系，與EGFR突變則是互斥關(guān)系，且KRAS和TET共突變的病人生存期明顯縮短。此外，TET基因突變會導(dǎo)致其自身的表達(dá)和氧化酶活受損。伴隨著腫瘤發(fā)展，TET基因的表達(dá)水平也逐漸降低，且TET低表達(dá)的肺腺癌患者的生存期也相對較短。
隨后，研究人員構(gòu)建了通過滴鼻誘導(dǎo)KrasG12D激活及Tet基因敲除的自發(fā)成瘤小鼠模型，來模擬上述臨床特征。有趣的是，致瘤表型分析顯示同時失活三個Tet基因劇烈加速了KrasG12D驅(qū)動的肺腺癌發(fā)生發(fā)展，而Tet基因單敲除或雜合敲除的結(jié)果表明Tet家族不同基因具有協(xié)同抑癌的作用，并且其抑癌效應(yīng)主要依賴于氧化酶活。
機制研究發(fā)現(xiàn)，Tet敲除誘發(fā)了惡性癌變前體細(xì)胞中DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄的重編程，尤其表現(xiàn)為Wnt signaling異常上調(diào)，同時呈現(xiàn)出Wnt signaling相關(guān)基因的高甲基化。在KrasG12D; Tet三敲除的肺腺癌細(xì)胞系中的回補實驗顯示，TET氧化酶活的恢復(fù)介導(dǎo)了Wnt相關(guān)拮抗基因（Lrp4, Ctnnbip1, Dact1, Tmem88）的啟動子區(qū)域的氧化去甲基化，并重新激活了這些拮抗基因的表達(dá)，從而抑制了Wnt signaling過度活化。值得注意的是，這些小鼠模型中的發(fā)現(xiàn)也得到了臨床數(shù)據(jù)的進(jìn)一步支持，在TET突變的肺腺癌樣本中WNT拮抗基因的高甲基化與其低表達(dá)相關(guān)。相應(yīng)地，敲除Wnt signaling效應(yīng)因子β-catenin，能夠大幅度地緩解由Tet缺失引發(fā)的肺癌表型，印證了Wnt signaling是受到TET酶氧化酶活調(diào)控的下游靶通路。
綜上，該研究首次在實體腫瘤中建立了能夠真實模擬臨床的TET條件性敲除的自發(fā)肺腺癌小鼠模型，提供了Kras和Tet基因協(xié)同突變誘發(fā)惡性肺腺癌的遺傳學(xué)證據(jù)，闡明了肺腺癌發(fā)生發(fā)展中表觀遺傳層面的重要調(diào)控機理，為開發(fā)針對TET突變的肺腺癌患者靶向抑制Wnt signaling的治療方式奠定了理論基礎(chǔ)。
分子細(xì)胞卓越中心徐國良研究員和季紅斌研究員為該論文的共同通訊作者。徐國良研究組徐骎博士和博士研究生王超為該論文的共同第一作者。該工作得到分子細(xì)胞卓越中心隋鵬飛研究員，英國阿爾斯特大學(xué)Colum Walsh教授及美國加州大學(xué)圣地亞哥分校孫欣教授的大力支持和幫助。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中科院基礎(chǔ)前沿科技專項、中科院國際合作項目等的經(jīng)費支持。感謝分子細(xì)胞卓越中心動物實驗技術(shù)平臺、細(xì)胞分析技術(shù)平臺和分子生物學(xué)技術(shù)平臺的大力支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2107599119
TET酶拮抗Kras驅(qū)動的肺腺癌發(fā)生發(fā)展的工作模型
