撰文 | 章臺柳
責編 | 兮
高級別膠質瘤（HGGs）是致命的原發性腦腫瘤，伴有組蛋白H3或表觀遺傳修飾因子的體細胞突變。HGGs是青少年和年輕人的主要死亡原因之一，主要發生在大腦半球葉，大量的病例被認為是表觀遺傳紊亂導致。超過30%的HGGs攜帶非典型H3.3變體的雜合子突變（即34位甘氨酸突變為精氨酸或纈氨酸，G34R/V）【1】。G34R/V型腫瘤具有獨特的病理組織學異質性以及不同程度的雙重神經-膠質細胞間隔等特點，容易導致誤診，近30%的中樞神經系統原始神經外胚層腫瘤被證明是G34R/V突變HGGs。
分子水平上，G34R/V HGGs具有統一的特徵：總是攜帶ATRX和TP53的突變、缺乏少突膠質細胞標記物OLIG2的免疫反應性、DNA甲基化分析與其他膠質瘤有明顯差異【2】。與影響經典H3.1/2和H3.3變體的K27M或K36M突變不同，G34R/V僅出現在非經典H3.3上，且是順式作用，同時大量的胺基酸替換抑制相鄰H3.3K36的翻譯後修飾以及被特異性reader識別。目前對於G34R/V HGGs的致癌或發育途徑的理解有限，阻礙了建模研究和治療策略的制定。而選定合理的人群研究其分子圖譜也是非常具有挑戰的，因為其年齡組跨越了兒科和成人護理，且具有較高的誤診率。
近日，來自加拿大麥吉爾大學的Claudia L. Kleinman和Nada Jabado在Cell雜誌上發表文章Histone H3.3G34-Mutant Interneuron Progenitors Co-opt PDGFRA for Gliomagenesis，進行了目前為止最大人群的原發/復發G34R/V HGGs試驗，從基因組、表觀遺傳組和轉錄組（bulk和single-cell）水平進行綜合描繪分子圖譜。發現50%的G34R/V腫瘤攜帶激活的PDGFRA突變，復發時PDGFRA突變比例更高。雖然被認為是膠質瘤，但G34R/V腫瘤實際上起源於GSX2/DLX+中間神經元祖細胞中，G34R/V突變損傷神經元的分化。機制上，這種起源可能通過形成染色質環的相互作用連接PDGFRA和GSX2調節元件，促進PDGFRA過表達和突變。單細胞水平上，G34R/V腫瘤具有雙重的神經元/星形膠質細胞特徵、缺乏少樹突膠質細胞表徵、受到GSX2/DLX介導的細胞命運決定的主動抑制。此外，G34R/V對腫瘤的維持可能是不必要的，而PDGFRA突變才是潛在的致癌原因。
研究人員首先招募了80位G34R（診斷72人，復發8人）和15位G34V（診斷9人，復發6人）HGGs患者。與IDH1-/SETD2突變/野生型 HGGs患者相比，G34R/V具有TP53和ATRX突變，同時具有高頻次的PDGFRA突變（44%），且PDGFRA高表達，而PDGFRA突變的比例（81%）在復發患者更高。G34R/V和PDGFRA突變共同出現的機率比其他的高7-8倍。PDGFRA是III型受體酪氨酸激酶（RTK），具有5個細胞外免疫球蛋白樣結構域。G34R/V HGGs中，85%的PDGFRA突變發生在第二到第四個細胞外免疫球蛋白樣結構域。同時，觀察到明顯的ERK磷酸化，下遊的MAPK/ERK通路被激活。即G34R/V腫瘤中，PRGFRA突變促進其RTK活性及其下遊信號通路組成性活化。
隨後，研究人員利用轉錄組和表觀遺傳組學分析G34R/V腫瘤的發育起源，發現G34R/V膠質瘤的轉錄組具有皮質中間神經元譜系（包括放射狀膠質細胞、神經祖細胞和中間神經元）的特徵，而興奮性神經元和少突膠質細胞表達特徵缺失。皮層中間神經元在胚胎發育過程中起源於神經節突起（GEs），GSX2和DLX1/2等轉錄因子網絡對這些區域進行模塊化，並確定中間神經元的分化命運。G34R/V HGGs顯著上調Gsx2+ SVZ祖細胞的表達特徵，即顯著上調GSX2、人橈神經膠質細胞標記物MOXD1、中間神經元轉錄因子DLX1/2等、中間神經元標記物GAD2、SCGN、NPY和CALB2。表觀遺傳分析顯示GSX2和DLX1/2表現出表達活躍的染色質構象，富含激活的H3K27ac，缺乏抑制性H3K27me3，印證了起源於中間神經元。進一步研究發現G34R/V組蛋白或通過異常的H3K27me3保留在特定的調控神經元成熟的基因位點而直接阻礙終末神經元的分化。
那麼，G34R/V和PDGFRA突變相關聯的機制是什麼？G34R/V腫瘤和細胞系中，PDGFRA表達和GSX2具有正相關，但這兩個基因通常表達於不同的細胞譜系，提示PDGFRA或劫持順式調控區域，促進其在G34R/V HGGs中的異位表達。Hi-C和H3K27ac、CTCF ChIP-seq顯示，G34R/V中不僅存在一個包含PDGFRA啟動子的拓撲相關結構域（TAD），而且存在連接PDGFRA啟動子和hs687（GSX2遠端增強子）的相互作用環。胚胎幹細胞中，Pdgfra和Gsx2存在一個由PRC2介導的較強的啟動子-啟動子相互作用，而Pdgfra和hs687之間沒有相互作用；胚胎13.5天時，GE中hs687和Gsx2之間出現相互作用環，而且GEs中存在第二個Pdgfra和hs687的強相互作用環。即G34R/V腫瘤中，GSX2相關的順式調控元件被招募用來誘導PDGFRA的異常表達。
PDGFRA突變對G34R/V HGGs的細胞異質性有什麼樣的影響呢？對6個PDGFRAWT和10個PDGFRAMUT腫瘤進行scRNA-seq，發現G34R/V腫瘤主要由神經元和星形膠質細胞樣細胞組成，所有G34R/V腫瘤都明顯缺乏少突膠質樣細胞，免疫細胞數量有限。細胞間，G34R/V星形細胞和神經元細胞高度發育異常，大多數細胞表現為神經元間和星形膠質細胞基因標記的異常共表達；個體間，G34R/V HGG表現出明顯的腫瘤間異質性，神經元和星形膠質樣細胞比例不同。PDGFRAMUT G34R/V HGG的星形膠質細胞擴增。對復發的腫瘤進行分析，發現PDGFRA是唯一共有的突變基因，且克隆異質性較少，星形膠質細胞擴增，神經元樣細胞減少。此外，G34R/V突變對於腫瘤的維持是非必需的，而突變的PDGFRA才是潛在的致癌驅動因子。
總的來說，研究從基因組、表觀遺傳組和轉錄組繪製了致命性腫瘤腦膠質瘤的組學圖譜，並揭示出G34R/V基因突變導致中間神經元祖細胞分化停滯，其與PDGFRA激活突變的共同作用促進惡性膠質瘤的發生，提示PDGFRA或是靶向治療腦膠質瘤的潛在位點。
原文連結
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.012
參考文獻
1.Fontebasso, A.M., Papillon-Cavanagh, S., Schwartzentruber, J., Nikbakht,H., Gerges, N., Fiset, P.O., Bechet, D., Faury, D., De Jay, N., Ramkissoon,L.A., et al. (2014b). Recurrent somatic mutations in ACVR1 in pediatric midlinehigh-grade astrocytoma. Nat. Genet. 46, 462–466.
2.Sturm, D., Witt, H., Hovestadt, V., Khuong-Quang, D.A., Jones, D.T.,Koner- mann, C., Pfaff, E., To njes, M., Sill, M., Bender, S., et al. (2012).Hotspot mu- tations in H3F3A and IDH1 define distinct epigenetic and biologicalsubgroups of glioblastoma. Cancer Cell22, 425–437.