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Nature | 双管齐下:癌症表观遗传治疗与基因敲除的强强联合

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BioArt2020-11-25 20:04

撰文 | 十一月

针对表观基因抑制因子的癌症疗法可以通过激活人类基因组中的逆转录元件(Retroelements)来调节它们的作用。逆转录子转录可以形成双链RNA(dsRNA),激活MDA5模式识别受体。这种病毒模拟反应(Viral mimicry)导致癌症细胞丧失适应性并刺激先天和适应性免疫反应【1】,但是目前表观遗传疗法的效果很有限。为了找到与病毒模拟反应协同的靶点,科学家们试图识别由表观遗传疗法激活的免疫原性逆转录酶。

2020年10月21日,加拿大玛格丽特公主癌症中心Daniel D. De Carvalho研究组与Parinaz Mehdipour在Nature发文题为Epigenetic therapy induces transcription of inverted SINEs and ADAR1 dependency内含子内或基因间的短散在核元件(short interspersed nuclear elements,SINEs)尤其是反向重复元件Alus可以作为药物诱导的免疫原性双链RNA的主要来源,促进表观遗传疗法发挥效果。

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靶向抑制性表观遗传的疗法可以通过激活逆转录元件促进抗肿瘤反应的产生【1-4】。活跃的逆转录元件可以产生双链RNA,产生的双链RNA反过来可以刺激模式识别受体的MDA5的识别。虽然目前关于病毒模拟反应已经有些研究将其描述为I/III型干扰素反应、癌症细胞适应度的丧失和先天和适应性免疫反应的激活【5】,但表观遗传诱导的免疫原性逆转录物的身份仍不清楚。

为了在全基因的范围内揭开药物诱导的免疫原性逆转录元件,作者们对低剂量5-AZA-CdR(FDA批准的DNA甲基转移酶抑制剂,又被称为DNMTi)处理的结直肠病人来源的细胞中内源双链RNA的形成进行检测。通过全链RNA-seq测序后作者们发现LINEs以及ERVs出现增加,但是SINEs在DNMTi处理后几乎不存在,这与先前的结果类似。为了进一步地直接检测药物诱导的免疫原性逆转录因子,研究人员进行了MDA5的保护检测。与胞质内的RNA相比,SINEs尤其是Alus逆转录元件显著地富集在MDA5保护的RNA区域(图1)。通过对背景进行排除后,作者们确认Alus元件而非其他的比如LTRs或者ERVs是在表观治疗后最主要的免疫原性dsRNA。

图1 MDA5富集在SINEs双链RNA上尤其是Alus dsRNA

进一步地,作者们想要揭开重复序列元件是如何产生免疫原性的dsRNA的,作者们对所有为MDA5保护的转录本中的重复序列进行了分析。作者们发现DNMTi的处理导致免疫原性dsRNA的产生主要是通过IR-Alus(Inverted-repeat-Alus)的配对,可以形成RNA的茎-环结构(RNA stem-loops),而非先前研究中发现的正义或反义转录模型【5】

随后,作者们想知道DNMTi的处理是如何诱导IR-Alu元件的产生的,通过对746,470个IR-Alu配对的检测,作者们发现其中的55%来源于内含子,43%来源于基因间序列。除此之外,作者们还对IR-Alu配对附近区域的CpG的分布进行检测。作者们发现,IR-Alu配对上游的CpG的分布密度在DNMTi处理之后显著升高。

由IR-Alu形成的RNA茎-环结构是RNA编辑酶ADAR1最主要的底物【6】。作者们发现在DNMTi处理后会刺激ADAR1的转录,并促进A-to-I的基因编辑最终导致免疫原性的IR-Alu dsRNA的不稳定性出现。那么ADAR1的敲除是如何影响DNMTi处理后的样品的呢?作者们进行了RNA-seq的分析。通过基因集合富集分析(Gene set enrichment analysis,GSEA)作者们发现I型干扰素是DNMTi处理后出现富集最多的信号通路。通过ADAR1的敲除和过表达,作者们最终确认ADAR1通过形成一个负反馈调节环路制约DNMTi处理癌症细胞中诱导出现的病毒模拟反应。

图2 表观治疗联合ADAR1基因敲除达到更好的治疗肿瘤的效果

总的来说,作者们鉴定发现IR-Alus而非其他双向ERV转录本作为DNA甲基化阻断剂药物处理后最主要的免疫原性dsRNA发挥作用。而且作者们还发现ADAR1诱导建立了一个负反馈回路,限制了表观遗传治疗诱导强而持久的免疫原性dsRNA反应的能力。ADAR1缺失联合DNMTi治疗显著抑制结直肠癌肿瘤的生长(图2)。因此,RNA编辑酶ADAR1抑制与表观遗传治疗相结合的方式将会是应对癌症的一种有效治疗策略。

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2844-1

制版人:嘉

参考文献

1. Roulois, D. et al. DNA-Demethylating Agents Target Colorectal Cancer Cells by Inducing Viral Mimicry by Endogenous Transcripts.Cell162, 961-973, doi:10.1016/j.cell.2015.07.056 (2015).

2. Chiappinelli, K. B. et al. Inhibiting DNA Methylation Causes an Interferon Response in Cancer via dsRNA Including Endogenous Retroviruses.Cell162, 974-986, doi:10.1016/j.cell.2015.07.011 (2015).

3.Goel, S. et al. CDK4/6 inhibition triggers anti-tumour immunity.Nature548, 471-475, doi:10.1038/nature23465 (2017).

4. Sheng, W. et al. LSD1 Ablation Stimulates Anti-tumor Immunity and Enables Checkpoint Blockade.Cell174, 549-563.e519, doi:10.1016/j.cell.2018.05.052 (2018).

5. Loo Yau, H., Ettayebi, I. & De Carvalho, D. D. The Cancer Epigenome: Exploiting Its Vulnerabilities for Immunotherapy.Trends in cell biology29, 31-43, doi:10.1016/j.tcb.2018.07.006 (2019).

6. Levanon, E. Y. et al. Systematic identification of abundant A-to-I editing sites in the human transcriptome.Nature biotechnology22, 1001-1005, doi:10.1038/nbt996 (2004).

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