經典理論認為，癌症是由於人體內DNA突變的不斷累積造成的，只要啟用原癌基因、失活抑癌基因，癌症就發生了。
但是，同樣的突變在不同的情況下可能會致癌，也可能不致癌。例如，構成痣的細胞就存在BRAF基因突變，該突變在某些情況下會導致黑色素瘤，但是絕大多數的痣永遠也不會癌變。
那麼，這一現象背後的原因是什麼呢？
近日，由來自紀念斯隆-凱特琳癌症中心的Richard M. White博士和Lorenz Studer博士合作領銜的研究團隊，在著名期刊《科學》上發表重要研究成果[1]。
他們研究發現“致癌能力”是由致癌基因（如BRAFV600E）、譜系特異性轉錄因子（如SOX10）和發育調節的染色質因子（如ATAD2）共同介導的。
發育調控染色質因子開啟細胞致癌能力並促進腫瘤形成。
在面板細胞中，神經嵴譜系特異性機制的啟用和BRAFV600E等致癌突變是造成惡性腫瘤的基礎條件[2-7]。那麼，為什麼神經嵴的狀態特別容易受到BRAFV600E致癌突變的影響？
在發育過程中，神經嵴細胞產生黑色素母細胞，然後進一步分化為黑色素細胞。White博士利用斑馬魚模型，在抑癌基因p53突變的背景下，啟用BRAFV600E來引發腫瘤的產生。BRAFV600E由三種階段特異性啟動子驅動，分別是sox10啟動子（神經嵴細胞）、mitfa啟動子（黑色素母細胞）和tyrp1啟動子（黑色素細胞）。
斑馬魚 F0 轉基因示意圖及生存曲線圖
研究發現由tyrp1啟動子控制的BRAFV600E並沒有激發黑色素細胞中腫瘤的產生，只是形成了小塊痣樣的細胞。這表明致癌基因表達可以使神經嵴細胞和黑色素母細胞有“致癌能力”，而黑色素細胞沒有。
透過對兩種不同的腫瘤進行組織學和RNA測序分析，發現這兩種腫瘤在組織學和轉錄水平都是不同的。神經嵴來源的腫瘤表達神經元基因，而黑色素母細胞來源的黑色素瘤表達與黑色素細胞譜系相近。
為了進一步做機制上的研究，White博士和Studer博士建立了人類多功能幹細胞（hPSC）模型：在hPSC中抑制RB1、P53和P16這三個抑癌基因（3xKO細胞），再透過多西環素（dox）誘導致癌的BRAFV600E表達來啟用腫瘤。3xKO工程化細胞隨後分化為神經嵴細胞、黑色素母細胞和成熟的黑色素細胞。
hPSCs 分化為神經嵴細胞、黑色素母細胞和黑色素細胞的示意圖
在NSG小鼠通皮下注射分化後的3xKO，發現了與斑馬魚相似的結果：3xKO dox神經嵴細胞和黑色素母細胞都容易形成腫瘤，而3xKO dox黑色素細胞基本上沒有。3xKO黑色素母細胞衍生腫瘤的所有黑色素瘤常見標誌物均呈陽性，而兩種RNA結合蛋白HuC和HuD呈陰性，並且在病理上被歸類為促纖維增生性黑色素瘤。
White和Studer對三種不同的細胞進行RNA測序，將表達譜和癌症基因組圖譜 (TCGA) 的資料對比，發現hPSC衍生的3xKO dox神經嵴細胞和3xKO dox黑色素細胞與人類黑色素瘤患者樣本具有顯著的相似性。這說明，研究人員透過hPSC衍生的腫瘤與人類患者有相關性。
透過對比WT和3xKO細胞在不同狀態下的RNA測序結果，White發現dox誘導的 BRAFV600E表達在神經嵴細胞和黑色素母細胞中都有顯著的轉錄變化。
WT黑色素母細胞和WT黑色素細胞中的基因集通路分析（GSAA）顯示，與染色質修飾相關的多條通路在黑色素母細胞中富集，並且透過對兩種細胞進行染色質相關基因差異分析，發現了特定染色質修飾因子在黑色素母細胞中的富集。這表明黑色素母細胞表達表觀遺傳相關因子，能夠響應BRAFV600E改變其染色質狀態。
WT黑色素母細胞和WT黑色素細胞表達差異分析
為了分析具體是哪個染色質因子最重要，White對比了黑色素細胞與黑色素母細胞的不同，並分析了在TCGA人類黑色素瘤佇列中哪些是表達量更高的，透過這些分析發現了3個相關因子：BPTF（溴基結構域PHD指轉錄因子）、ATAD2（ATP酶家族AAA結構域蛋白2）和 EZH2（zeste同源物2的組蛋白甲基轉移酶增強子）。
ATAD2是一種腺苷三磷酸酶（ATPase）[8]，已知在染色質可及性中發揮作用，並且與黑色素瘤的存活率呈負相關[9]；與其餘患者相比，表達較高的患者的存活率明顯更差。
ATAD2表達較高的患者生存更差（紅）
White利用病毒在3xKO細胞中誘導ATAD2表達，發現沒有ATAD2的黑素細胞被黑色素深深著色，但表達ATAD2的3xKO黑色素細胞減少了色素沉著。
White接下來對3xKO dox黑色素母細胞、3xKO dox黑色素細胞和3xKO ATAD2 dox黑色素母細胞進行了高通量轉座酶可及染色質測序(ATAC-seq)，發現黑色素母細胞中過表達ATAD2可以增加神經嵴相關位點染色質可及性。
透過進一步的機制研究，White利用Homer基序分析發現ATAD2富集基序是SOX10，表明ATAD2特異地與SOX10結合。對攜帶SOX10基序的基因座進行網路分析，發現了神經嵴遷移相關通路的富集。
神經嵴遷移相關通路
有研究表明，ATAD2能夠與Myc構建蛋白複合物[10]。White假設ATAD2與SOX10可能以類似的方式發揮作用，透過直接與其結合並促進其靶基因的轉錄。
為了驗證這一想法，White分析了TCGA佇列中ATAD2高表達和ATAD2低表達患者的基因表達差異，發現ATAD2高表達患者的基因有明顯的Myc特徵且具有SOX基序富集。接下來White透過免疫共沉澱（co-IP）證實ATAD2與Myc形成複合物，並發現它也與SOX10形成複合物。
基於這些發現，White提出假設：ATAD2可能發揮雙重作用並促進Myc和SOX10轉錄因子靶基因的表達。White對3xKO ATAD2 dox黑色素母細胞中的ATAD2、SOX10和Myc進行了CUT&RUN分析，發現ATAD2與SOX10和Myc結合，並透過RNA-seq分析發現神經嵴相關基因（MEIS2、CDH2 和 CDH11）顯著富集。
為了研究ATAD2在體內環境下是否致癌，White在轉基因斑馬魚中特異性表達和敲減ATAD2，發現在神經嵴細胞和黑色素母細胞中高水平ATAD2表達促使BRAFV600E激發腫瘤。
以上研究表明致癌能力似乎取決於三個相互關聯的因素：DNA突變（例如BRAFV600E、p53-/-、CDKN2A-/-和PTEN-/-）；細胞型別特異性轉錄因子（如SOX10和MITF）；以及發育調控染色質修飾因子的固有水平。它們共同決定了癌症易感性。
這一研究重新整理了人們對於致癌機制的認知，可以研究靶向抑制ATAD2的藥物治療黑色素瘤，為黑色素瘤的治療提供了新的思路。
參考文獻：
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責任編輯 | 代絲雨
