乳腺癌和卵巢癌是常见的女性癌症，其中约5%-10%的乳腺癌和10%-15%的卵巢癌是由BRCA突变基因引起的。研究表明，胚系BRCA1突变携带者一生中罹患早发性遗传性乳腺癌的风险高达80%，但这种高风险的潜在机制尚不完全清楚。
多年来，乳腺癌风险的升高通常由“双重打击”假说来解释。该假说认为，与两个等位基因完整的非携带者相比，携带一个功能性BRCA1等位基因突变的个体（第一次打击）更有可能因杂合性丢失事件（第二次打击）导致基因完全丧失功能，进而引发癌症。基于该模型，携带一个BRCA1拷贝突变的个体通常会受到保护，这是因为另一个正常的BRCA1基因拷贝仍能够进行DNA修复；如果两个BRCA1拷贝均被破坏，那么DNA修复将无法进行，癌症发生发展的概率就会提升。然而，与杂合状态相关的其他机制对癌症易感性的影响在很大程度上是未知的。
近日，哈佛医学院等单位的研究人员在Nature Genetics发表了题为“Brca1 haploinsufficiency promotes early tumor onset and epigenetic alterations in a mouse model of hereditary breast cancer”的文章。研究人员利用一种新的BRCA1杂合性基因工程小鼠模型，发现BRCA1杂合背景下的早期肿瘤发病不能用传统的“双重打击”假说来解释，表明BRCA1杂合状态存在固有的促肿瘤改变。研究直接在体内证明了胚系BRCA1杂合性在加速肿瘤发生中的关键作用，并确定了相关因素。总之，这些发现揭示了BRCA1单倍剂量不足在加速肿瘤发生中的作用，促进了对相关肿瘤发病机制的理解，可能会改变针对携带单个BRCA1突变个体的癌症预防方法。
文章发表在Nature Genetics
主要研究内容
01
BRCA1杂合生殖系背景下的肿瘤加速发生TODAY
为了评估胚系BRCA1杂合性对肿瘤发生的影响，研究团队构建了一个基因工程小鼠模型（GEMMs）：BRCA1Flox/−;Trp53Flox/Flox模型，小鼠模型所有体细胞都携带BRCA1单个等位基因缺失（以下简称BRCA1-HET或HET），对应的BRCA1Flox/Flox;Trp53Flox/Flox小鼠模型作为对照组（WT）。这些小鼠没有自发的肿瘤发生，但如果将表达Cre的腺病毒或慢病毒递送至乳腺上皮细胞，在体内灭活BRCA1和Trp53，则可诱导产生乳腺肿瘤。
如果“双重打击”是BRCA1杂合状态下肿瘤发生加速的唯一解释，那么在HET和WT中同时灭活条件BRCA1等位基因的Cre将消除时间差异，并使它们以相当的速度发展肿瘤。相比之下，研究人员观察到，虽然同时给药，HET小鼠的肿瘤发生时间明显早于WT同伴，分别在注射后30周和53周检测到第一个肿瘤，中位无肿瘤生存时间分别为63周和83周。以上发现表明，在BRCA1杂合背景下，“双重打击”假说不能完全解释疾病的早期发病，这可能涉及与BRCA1杂合状态潜在相关的其他机制。此外，HET组和WT组的肿瘤在组织病理学和转录组学上高度相似，使用单细胞转录组测序（scRNA-seq）对肿瘤上皮细胞进行分析，未发现HET和WT之间存在任何基因表达差异。
图1. BRCA1-HET小鼠显示肿瘤发生加速
02
BRCA1-HET肺泡细胞表观遗传发生改变
为了探索可能引发BRCA1-HET肺泡细胞（AV）癌变的潜在表观遗传变化，研究团队通过ATAC-seq测序评估染色质可及性图谱。全基因组染色质可及性信息的主成分分析揭示了一种意想不到的二分类模式，其中HET肺泡细胞的一个子集与所有WT肺泡细胞样本聚集在一起，表明它们与WT相似；其他HET肺泡细胞单独聚集，表明它们的染色质状态发生了改变，研究人员将这些组分别命名为Gp1-WT-like和Gp2-HET。分析显示，Gp2-HET样本的染色质谱部分类似于肿瘤。
通过统计分析，研究确定了这些群体之间染色质可及性状态的系统性差异，发现了1458个潜在目标位点，并发现Gp2-HET肺泡细胞的染色质状态受到干扰，这将它们与Gp1-WT-like 肺泡细胞区分开来，并部分使它们与Gp3肿瘤细胞一致，表明虽然BRCA1杂合肺泡细胞在转录组学上与WT细胞相似，并且在没有额外突变的情况下不能形成肿瘤，但它们的染色质已经部分启动来模拟肿瘤样状态。结合scRNA-seq技术，研究还发现Gp2-HET肺泡细胞被表观遗传学启动了从正常细胞向肿瘤细胞转变相关的基因表达变化，从而导致肿瘤发生加速。此外，转录因子ELF5和AP-1类基因与染色质区域的改变有关。
图2. BRCA1-HET小鼠亚群中的肺泡细胞显示出不同的染色质谱
03
Wnt10a促进肿瘤发生并与基底样亚型相关
接下来，研究团队基于ATAC-seq和scRNA-seq检测了染色质可及性和表达水平均增加的基因。经过对比分析，锁定了15个染色质区域及其12个相关基因，包括Wnt通路组分Wnt10a和Fzd7，细胞骨架相关因子Plec, Enah, Fscn1和Dsp，肿瘤抑制因子Cdkn2a等。
在这些基因中，Wnt10a位于首位，并且Wnt10a相关的染色质区域在小鼠和人类之间显示出高度的序列保守性，表明它们是功能性的。与肺泡细胞相比，肿瘤细胞中Wnt10a表达增加，同时Wnt受体和靶基因也呈现高表达，表明Wnt信号通路活跃。
数据表明，Wnt10a足以激活正常肺泡细胞中的Wnt通路，并且是维持肿瘤细胞中Wnt高活性所必需的。肿瘤类器官中Wnt10a的敲低还显著抑制了肿瘤球的形成，并且显著降低了移植后形成的肿瘤大小，这表明Wnt10a介导的Wnt信号通路是维持肿瘤细胞在体外和体内高效生长所必需的。为了检验Wnt10a对肿瘤起始的影响，研究团队在GEMMs中过表达Wnt10a，与对照组相比，Wnt10a过表达显著加速了肿瘤的形成，提示Wnt10a本身就足以促进肿瘤的形成。
Wnt10a与人类乳腺癌的相关性分析发现，与HER2和腔内A和B亚型相比，Wnt10a的高表达与基底样亚型肿瘤密切相关，Wnt10a和基底样亚型之间的类似关联在乳腺癌细胞系中也很明显。此外，考虑到BRCA1突变携带者的基底样乳腺癌倾向于在早期发展，并且发病率在40岁之前增长最快，研究团队还分析了40岁以下基底样乳腺癌患者的Wnt10a表达，发现BRCA1突变患者的Wnt10a表达高于未突变患者。总的来说，以上数据揭示了Wnt10a与人类乳腺癌，特别是基底样亚型乳腺癌的强烈关联。
图3. Wnt10a可促进肿瘤发生
结 语
该研究表明，胚系BRCA1杂合突变中肿瘤加速发生的方式无法用“双重打击”假说来解释，并证明BRCA1杂合状态下的单倍剂量不足有助于癌症早期发病。进一步的研究还发现，BRCA1杂合小鼠的肿瘤细胞、肺泡细胞表现出改变的表观遗传谱，提示潜在的表观遗传启动抑制或激活相关基因。总之，这些研究数据揭示了BRCA1单倍剂量不足在加速肿瘤发生中的一种以前未被认识到的表观遗传作用，促进了我们对遗传性乳腺癌发病机制的理解，并为潜在的治疗策略提供了信息。
文章通讯作者Joan S. Brugge教授表示：“我们的工作为该领域一个挥之不去的问题提供了答案，新的研究结果表明，即使是一个有缺陷的BRCA1拷贝，也会使乳腺细胞以以前不知道的方式发展成癌症，单凭‘双重打击’假说并不能解释携带单个缺陷基因的动物较早发生乳腺癌的原因，因此，癌症发展的‘双重打击’假说只提供了部分解释。”
论文原文：
Li, C.MC., Cordes, A., Oliphant, M.U.J. et al. BRCA1 haploinsufficiency promotes early tumor onset and epigenetic alterations in a mouse model of hereditary breast cancer. Nat Genet (2024). https://doi.org/10.1038/s41588-024-01958-6.
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