染色質是最早發現的癌症治療靶點之一，其歷史可追溯到半個世紀前的分化劑。但在癌症基因組測序揭示出染色質調節蛋白基因存在大量突變後，人們才對染色質複雜性及其在腫瘤發生中的作用有了更精確了解。在很多情況下，這些突變是維持惡變過程的關鍵，讓我們開發出了新的治療方法。
2020年8月13日，《新英格蘭醫學雜誌》發表綜述（Bates SE. Epigenetic therapies for cancer. N Engl J Med 2020;383:650-63），總結了已批准和在研的表觀遺傳抗腫瘤藥物開發及其臨床活性，並描述了該領域存在的挑戰。
我們在此重點介紹其中的藥物治療內容。
表觀遺傳因子及其突變
理解表觀遺傳學要從DNA和組蛋白（染色質中在結構和功能上相互交織的兩種大分子）開始。染色質基本單位核小體是由重複的146 bp的DNA纏繞組蛋白八聚體構成。組蛋白家族包括H2A、H2B、H3、H4和多個變體，其中許多具有獨特功能。DNA和組蛋白的修飾可調節DNA可及性和功能，而這些修飾的改變是癌症的一個標誌。表觀遺傳療法試圖使促進或維持惡性表型的組蛋白、DNA甲基化模式和翻譯後修飾恢復正常。
調節DNA胞嘧啶甲基化的酶及各種各樣的翻譯後組蛋白修飾可以調節DNA複製、修復和RNA轉錄。富含賴氨酸的氨基末端組蛋白尾區的翻譯後修飾包括乙醯化、甲基化，以及泛素化、磷酸化和sumo化。
雖然存在多樣性，但組蛋白修飾及其調節酶在被修飾的組蛋白、受影響殘基及在表觀基因組中的作用方面具有顯著的特異性。例如，H3K9ac表示在組蛋白H3的第9位賴氨酸（K）殘基上添加一個乙醯基（ac）；H3K9me3表示在同一胺基酸上添加3個甲基（me3）作為另一種修飾。乙醯化可導致開放、激活的染色質狀態。甲基化較複雜，對染色質狀態有不同效果，具體取決於修飾殘基：在一些位點（如H3K9），甲基化與染色質抑制狀態相關；在另外一些位點（如H3K4），甲基化與基因轉錄相關。
為了對調節染色質的700多種蛋白質的功能分類，調節組蛋白翻譯後表觀遺傳修飾的酶被細分為書寫器（writer）、擦除器（eraser）、閱讀器（reader）和移動器（mover）。顧名思義，書寫器添加修飾，包括DNA甲基轉移酶（DNMT）、組蛋白賴氨酸甲基轉移酶（KMT）和組蛋白乙醯轉移酶（HAT）；擦除器去除翻譯後修飾，包括組蛋白賴氨酸去甲基化酶（KDM）和組蛋白去乙醯化酶（HDAC）。在認識到布羅莫結構域（bromodomain）和克羅莫結構域（chromodomain）蛋白分別閱讀乙醯化或甲基化殘基之後，人們創造了閱讀器一詞；移動器是染色質重塑蛋白，它們移動核小體並實現基因轉錄。此外，還有描述染色質調節蛋白其他功能的塑形器（shaper）和絕緣子（insulator）（圖1和圖2）。
圖1. 染色質
隨著對成千上萬癌症基因組的測序，以及在幾乎每個表觀遺傳調節因子中都發現突變，我們逐步了解了染色質及其在腫瘤發生中的複雜作用。然而，突變本身並不一定會產生功能上的結果，也並不保證能成為表觀遺傳治療靶點。修飾蛋白突變可產生致癌驅動因子或破壞腫瘤抑制因子，也可能是無關鍵作用的乘客突變。隨著時間推移，越來越多的突變被證實在癌症中具有重要作用（圖2）。雖然表觀遺傳調節因子中有少數突變會導致功能獲得或改變，但大多數突變會破壞蛋白質構象或產生新的終止密碼子，從而導致其功能喪失。基因融合和表達的改變又帶來了另一個維度的複雜性，而且可能是更大的複雜性。所有這些變化都凸顯了表觀遺傳學的一個主題：正確的表觀遺傳學調節因子在正確的時間出現在正確的位置的重要性。調節因子過多或過少都可能致癌。
圖2. 與癌症相關的常發生改變的表觀遺傳調節蛋白推測有致癌突變的表觀遺傳調節蛋白用粗體顯示。
異常DNA甲基化的治療DNMT抑制劑阿扎胞苷和地西他濱在我們發現甲基化模式的複雜性之前已經被開發並獲得批准。這兩種藥物都是抗代謝物藥，可抑制DNMT活性，並且摻入DNA後可誘導低甲基化。16%～17%的骨髓增生異常症候群患者和20%～40%的急性髓系白血病（AML）患者接受上述藥物治療後可達到緩解，因此美國監管機構批准了阿扎胞苷和地西他濱用於治療骨髓增生異常症候群和慢性髓-單核細胞性白血病（chronic myelomonocytic leukemia）。在歐盟，這些藥物被批准用於治療不適合移植的新診斷AML或繼發性AML患者。
靶向IDH1和IDH2熱點突變的兩種藥物經過孤兒藥的快速優先審核獲得了美國食品藥品管理局（FDA）的批准：靶向IDH2的伊那尼布和靶向IDH1的艾伏尼布分別於2017年和2018年獲批。這是FDA首次批准涉及癌症代謝物的療法。一項人體試驗表明，在攜帶IDH2突變的AML患者中，接受伊那尼布治療後有38.8%達到了客觀緩解。
AML是一種之前只有達到完全緩解才能延長生存期的疾病，而此次觀察到的持久部分緩解帶來的益處意味著治療模式的轉變，然而患者在治療1年後即出現的耐藥降低了對這些藥物的熱情。
雖然膠質瘤患者中的IDH1突變頻率高，但穿透血腦屏障是為此類患者開發IDH1抑制劑的關鍵。在一項正在進行的1期研究中，vorasidenib展示了在腦內良好的穿透性，膠質瘤患者的2-HG水平降低了約93%。
KMT抑制劑組蛋白賴氨酸甲基轉移酶EZH2是一個備受關注的藥物靶點，幾種潛在治療策略都靶向EZH2。他澤司他是目前最成熟的EZH2抑制劑，而其他幾種（包括valemetostat、CPI-1205和CPI-0209）仍在試驗階段。在一項2期試驗中，復發性或難治性非霍奇金淋巴瘤患者接受他澤司他治療後達到了客觀緩解，其中攜帶野生型和突變EZH2的濾泡性淋巴瘤患者客觀緩解率分別為35%和69%，相應緩解持續時間分別為13個月和11個月；美國依據本試驗結果批准將他澤司他用於治療濾泡性淋巴瘤。
他澤司他的另外一項用途也獲得了監管機構批准。當作為SWI/SNF染色質重塑複合物一部分的SMARC家族成員發生失活突變後，EZH2活性不受抑制，並且使H3K27me3增加、基因沉默。抑制EZH2可打破這種失衡，導致細胞死亡。對於幾個SMARC家族成員，已通過體外試驗證明了這一機制。臨床研究表明他澤司他對於發生SMARCB1/INI1缺失和失活突變（在橫紋肌樣瘤和上皮樣肉瘤中常見）的腫瘤有療效，而FDA基於15%的總緩解率批准其用於治療上皮樣肉瘤。
同樣，滑膜肉瘤中的SS18-SSX致病基因融合導致SWI/SNF複合物丟失SMARCB1，並使攜帶這一改變的細胞對他澤司他敏感。因此，EZH2激活突變、SMARC家族成員失活突變和SS18-SSX融合都會影響H3K27的甲基化狀態。我們還需要通過系統性試驗來確定SWI/SNF其他成員的改變是否會導致腫瘤細胞對EZH2抑制劑敏感。
HDAC抑制劑目前有4種HDAC抑制劑（伏立諾他、羅米地辛、貝利司他和帕比司他）已獲得FDA批准，第5種藥物西達本胺已獲得中國監管機構批准。抑制HDAC可實現全局性乙醯化。通過直接結合HDAC，抑制劑可阻止賴氨酸去乙醯化，從而實現不受限制的HAT活性和高乙醯化。乙醯化會中和帶正電荷的賴氨酸，減少它們對帶負電荷的DNA的靜電吸引力，使染色質結構松馳並打開染色質，從而轉錄可抑制細胞生長或誘導細胞分化的基因。這一過程被認為是HDAC抑制劑的典型作用機制，但其他可能作用機制的效應尚不明晰。
FDA批准了下列治療：伏立諾他和羅米地辛用於皮膚T細胞淋巴瘤，羅米地辛和貝利司他用於周圍T細胞淋巴瘤，帕比司他聯合地塞米松用於多發性骨髓瘤。周圍T細胞淋巴瘤患者使用羅米地辛和貝利司他後有1/4～1/3達到緩解。羅米地辛用藥後的中位緩解持續時間超過1年。
在研表觀遺傳藥物
靶向書寫器、擦除器、閱讀器和移動器目前美國有9種表觀遺傳藥物成為標準治療：2種DNMT抑制劑、4種HDAC抑制劑、2種IDH抑制劑及最新的EZH2抑制劑他澤司他（圖3）。針對書寫器、擦除器和閱讀器的更多抑制劑正在開發中（方框）。目前正在多種不同的聯合用藥方案中檢驗口服DNMT抑制劑guadecitabine。其他KMT靶點的抑制劑也正在開發中。
MLL（亦稱KMT2A）、menin和DOT1L（唯一的H3K79甲基轉移酶）的相互作用引起了製藥界的關注。涉及MLL的基因重排產生了與AF9、AF10和ENL融合的蛋白，這些蛋白質將DOT1L招募到MLL靶點，並改變表觀遺傳狀況。目前已設計出用於抑制DOT1L、MLL-menin相互作用或同時抑制兩者的治療策略，但是DOT1L抑制劑pinometostat單藥治療後的低緩解率凸顯出上述染色質紊亂的複雜性。VTP-50469在臨床前試驗中的活性提示MLL與menin的相互作用可能是更核心的靶點；相關化合物SNDX-5613的1/2期研究正在進行中。
圖3. 在研或已獲FDA批准腫瘤藥物靶向的表觀遺傳調節因子蛋白家族
處於臨床開發階段的表觀遺傳療法
針對組蛋白乙醯化的類別特異性HDAC抑制劑正在開發中，包括恩替司他（對Ⅰ類HDAC具有特異性）、NBM-BMX（HDAC8選擇性抑制劑）和ricolinostat（對HDAC6具有特異性）。發生CREBBP乙醯轉移酶失活突變的細胞將依賴殘留的p300轉乙醯轉移酶活性，這提供了一種潛在的治療策略。
KDM1A（又稱LSD1）擦除器是甲基化H3K4的去甲基化酶，而H3K4me1或H3K4me2甲基化是細胞正常生長分化的關鍵激活標誌。AML和骨髓增生異常症候群中的LSD1過表達可降低H3K4me1和H3K4me2，並像其他表觀遺傳異常一樣導致基因抑制。多種LSD1抑制劑正在開發中，包括iadademstat；iadademstat可使白血病母細胞分化，並且偶爾可使AML緩解。正在研究中的另外兩種LSD1抑制劑為INCB059872和CC-90011，目前研究者在評估每種藥物與其他藥物的聯合用藥。
布羅莫結構域和克羅莫結構域閱讀器分別識別組蛋白乙醯化和甲基化靶點。BRD4是布羅莫結構域和末端外（BET）家族成員，可閱讀染色質高乙醯化區域。BET抑制劑molibresib和birabresib對NUT（睪丸核蛋白）中線癌（midline carcinoma，具有BRD4-NUT融合基因）患者有活性，因此對BRD4抑制做出了概念驗證。目前已觀察到BET家族蛋白與在致癌基因過表達中發揮作用的許多轉錄複合物有關，人們基於此開發出了多種BET抑制劑。
表觀遺傳療法用於聯合治療表觀遺傳療法已經與傳統化療、靶向療法、其他表觀遺傳藥物和免疫檢查點抑制劑聯合應用，從而提高血液系統癌症患者的緩解率，並將此類療法的應用範圍擴展至實體瘤。雖然協同作用在體外試驗中很容易證明，但臨床結果常常令人失望。例如，DNMT-HDAC抑制劑聯合用藥早在1983年已被發現具有協同作用，然而經過大量研究後仍無一致證據表明其對AML有益。迄今只有帕比司他、硼替佐米和地塞米松聯合用藥獲得了FDA的加速批准。
我們希望對表觀遺傳學的更深入認識可以指導開發應用精準醫學策略的藥物或聯合用藥。精心設計、針對不同疾病、包含新靶點和不同藥物的研究可以避免早期研究的缺陷。最後，DNMT、HDAC抑制劑及EZH2抑制劑可誘導直接參與免疫應答的蛋白質編碼基因表達，而且可誘導免疫原性癌症-睪丸抗原或內源性反轉錄病毒序列。基於此，上述藥物聯合免疫檢查點抑制劑的多種療法正在開發中。
經驗教訓和前行方向
截至2020年，雖然已有9種表觀遺傳藥物獲得批准，但在血液系統癌症和實體瘤的表觀遺傳治療方面，大多數仍在研發中。表觀遺傳學領域已經誕生將近50年，其重要性、冗餘性、互聯性和脆弱性正逐漸成為人們關注的焦點；但我們的知識缺口也日益明顯。
例如，異常的DNA甲基化已成為我們反覆見到的致癌事件，已發現有至少3個不同通路可產生這一相同表型：DNMT、TET和TCA循環中幾種酶的基因突變。這凸顯出只有確定致癌的分子基礎，才能靶向遺傳畸變這一病因，而不是靶向表型（DNA甲基化）。例如，雖然DNMT抑制劑可增加DNA甲基化，但其在TET和IDH突變背景下的價值有限。此外，雖然將表觀基因組恢復正常被視為一種治療策略，但尚未證明這是治療方法的主要機制。
精準醫學對於表觀遺傳療法的未來發展至關重要。由於有數百個潛在靶點，因此表觀遺傳改變是癌症中最常見的異常。表觀遺傳改變可能在早期作為基礎突變出現，也可能在後期出現並驅動克隆亞群。了解這些改變之間的相互作用可以幫助我們辨別哪些突變導致可作為治療靶點的脆弱性。
但是癌症背景很重要，突變在一種癌症中的作用可能與在另一種癌症的作用不同。細胞類型也很重要：雖然表觀遺傳改變通常具有胺基酸殘基特異性，但它們也可能影響數百個基因的表達，並發生於表觀遺傳改變之前就已存在的、由於細胞類型（不論是惡性細胞還是正常細胞）不同而造成巨大差異的背景下。
另一個挑戰是與可以設計抑制劑的癌基因不同，絕大多數表觀基因改變是失活突變，而此類突變本身就難以治療。我們有必要設計可幹擾適應性機制的藥物，這種方法正被日益驗證。
最後，表觀遺傳療法（包括DNMT、HDAC和EZH2抑制劑）有時對突變型和野生型基因型均有效。與其寄希望於擴大現有療法的適應證範圍，我們更應該努力加深對表觀遺傳機制的理解，從而開發出更好的療法。
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