2019年10月10日,Nature雜志3篇背靠背文章對癌癥中剪接因子突變進行了報道。這三篇文章的標題分別是(1)Spliceosomal disruption of the non-canonical BAF complex in cancer(2)The U1 spliceosomal RNA is recurrently mutated in multiple cancers(3)Highly recurrent non-coding U1-snRNA mutations drive cryptic splicing in Shh medulloblastom,揭示了U2組分SF3B1突變促進癌變的機制,以及髓母細胞瘤、胰腺癌、CLL、HCC、B細胞非霍奇金淋巴瘤等多種癌癥中檢測到非編碼U1-snRNA發生突變。


第一篇來自美國斯隆凱特林紀念癌癥中心的Omar Abdel-Wahab和美國華盛頓大學的Robert K. Bradley 合作研究,利用泛癌剪接分析和CRISPR篩選,鑒定出不同的SF3B1突變都對BRD9產生抑制,BRD9是非典型BAF染色體重塑復合物的核心組分。突變的SF3B1識別BRD9基因內一個異常的內含子支點,誘導了來源于內源性逆轉錄病毒元件的毒性外顯子的形成,導致BRD9 mRNA的降解。BRD9的缺失導致CTCF相關基因位點上非典型BAF復合物的結合丟失,促進黑色素癌變。此外,BRD9被證明在UVM中是一種有效的腫瘤抑制因子,在SF3B1突變細胞中糾正BRD9的錯誤剪切能夠抑制腫瘤生長。


Nature三篇!美加科學家共同揭示剪接體組分突變促進癌癥發生


研究人員綜合分析SF3B1突變細胞系和249例慢性淋巴白血病、骨髓增生異常綜合征和UVM患者樣本的錯誤剪接事件,然后利用CRISPR陽性富集篩選系統進行功能分析。結果顯示,BRD9的缺失促進細胞的轉化。而且,所有攜帶SF3B1突變的癌癥患者其BRD9都有明顯的錯誤剪接;BRD9敲除能夠促進人類UVM、皮膚黑色素瘤、胰腺癌細胞的生長。SF3B1突變導致BRD9內含子序列的外顯子化,即毒性外顯子的形成,破壞了開放閱讀框,引發無義突變介導的RNA降解(nonsense-mediated RNA decay,NMD),降低BRD9 mRNA的半衰期和穩態下全長BRD9蛋白水平,而且沒有產生截短的BRD9蛋白。


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SF3B1突變導致BRD9毒性外顯子形成


SF3B1突變如何導致BRD9毒性外顯子的形成?據報道,突變的SF3B1促進隱形3’剪接位點的使用,改變野生型SF3B1的分支識別功能。研究發現,SF3B1突變細胞中,BRD9毒性外顯子的形成和不常見的閉合分支位點的使用有關;突變閉合分支位點則BRD9毒性外顯子的形成消失。同時,研究人員鑒定出毒性外顯子形成所必需的外顯子剪接增強子(exonic splicing enhancer)。一旦破壞3’剪接位點和/或外顯子剪接增強子就能夠在SF3B1突變的UVM細胞中增加BRD9蛋白的表達水平,但在SF3B1野生型的細胞中則對BRD9的剪接和表達沒有影響。


BRD9和GLTSCR1/GLTSCR1L組成非典型BAF復合物(ncBAF)的一部分,其生化特點和典型BAF、polybromo相關的BAF不同,而且ncBAF和典型BAF在基因組上的靶向位點也不同。雖然ncBAF不像典型BAF、polybromo相關的BAF在癌癥中經常發生突變,但SF3B1突變常常破壞ncBAF。無論是SF3B1突變體表達導致的BRD9蛋白水平減少或者化學藥物導致BRD9降解,都導致BRD9和BRG1、GLTSCR1的相互作用消失,但BRG1和BAF155的相互作用(在三種BAF中都存在)保持完整,說明SF3B1突變體特異性破壞ncBAF。ChIP-seq實驗顯示,BRD9和GLTSCR1共定位,與基因的啟動子、基因主體和增強子結合;CTCF motifs和GLTSCR1有明顯的共定位,和BRG1共定位不明顯。而且,SF3B1突變導致的BRD9缺失引發CTCF相關位點上ncBAF的特異性丟失。


最后,研究人員探究了BRD9在腫瘤發生過程中的作用。敲除Brd9或Brg1導致小鼠體內黑色素瘤生長、黑素細胞色素沉積增加,黑素細胞譜系特異性基因的表達增加;異位表達全長的BRD9能夠抑制UVM細胞系和腫瘤移植物的生長。Brd9的缺失可能通過腫瘤抑制子HTRA的表達失調,促進細胞的轉化、腫瘤的維持和轉移進展。此外,利用CRISPR和ASO技術修正SF3B1突變的細胞中BRD9的毒性外顯子形成,能夠有效抑制體外腫瘤細胞的生長和小鼠體內腫瘤的生長,并誘發腫瘤細胞壞死。


Nature三篇!美加科學家共同揭示剪接體組分突變促進癌癥發生

修正SF3B1突變細胞中BRD9的剪接顯著降低腫瘤生長速度


總的來說,研究證明了攜帶SF3B1突變的多種類型的腫瘤中,非典型BAF都被破壞,驅動了腫瘤的進展;同時揭示了BRD9的腫瘤抑制子的功能及其可能的作用機制,并為治療這類型的惡性腫瘤提供了機制為基礎的治療方案。


第二篇文章來自于加拿大多倫多大學的Lincoln Stein課題組。他們在多種癌癥樣本中檢測到在U1 snRNA的高頻熱點突變第3個堿基上發生A>C的體細胞突變,而U1的主要功能是通過堿基配對識別5’剪接位點,這種突變改變了U1和5’剪接位點之間的偏好性,從A-U配對改變到C-G配對,導致了新型的剪接連接,改變了包括癌癥驅動基因在內的很多基因的剪接模式。臨床上,A>C突變和酒精濫用所致肝細胞癌(HCC)和慢性淋巴白血病(CLL)中非突變性侵襲性IGHV亞型相關,同時U1突變對CLL患者的預后不利。


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第三篇文章來自加拿大兒童醫院的Michael Taylor課題組,報道了在Shh髓母細胞瘤(Sonic hedgehog medulloblastoma,Shh-MB)中U1剪接體snRNA發生高頻熱點突變(第3個堿基,A>G),而這種突變在其他髓母細胞瘤亞型中沒有出現,在36種其他癌癥類型的2442個樣本中檢出率<0.1%。在嬰兒Shh-MB中沒有檢出該突變,但成人期(Shhδ)突變發生率為97%,青少年(Shhα)發生率為25%。U1-snRNA突變導致腫瘤細胞中RNA剪接異常,并導致腫瘤抑制基因如PTCH1失活,激活癌基因如GLI2、CCND2,驅動腫瘤進展。


Nature三篇!美加科學家共同揭示剪接體組分突變促進癌癥發生


綜上,3篇背靠背的獨立研究揭示了U1剪接體蛋白編碼基因SF3B1突變導致3'剪接位點的識別出現異常,U2剪接體非編碼組分snRNA突變導致5'剪接位點的識別出現異常,進而腫瘤細胞中mRNA出現異常剪接,導致腫瘤抑制因子失活或激活癌基因,促進癌癥發生。這些研究提示我們剪接過程或將是癌癥治療中的潛在靶點。


這3項研究從2個不同的角度闡明了RNA剪接在癌癥發病中的重要作用。如果RNA剪接機制出現問題,下游可能被影響的基因數量就可能很多。同樣,如果能在源頭矯正RNA剪接的問題,就可能帶來全新的癌癥治療方案。


這些研究告訴我們,在研究癌癥時,僅僅聚焦在編碼區域是不夠的。在2%的編碼DNA序列外,還有98%的廣闊天地等著我們去探索。


研究背景


RNA剪接是pre-mRNA去除內含子保留外顯子,生成成熟mRNA的過程,對基因的表達具有重要作用。轉錄本水平的RNA異常剪接在多種癌癥類型中被檢測到,目前發現與隸屬于U2 snRNP的剪接因子SF3B1突變有關。據報道,在髓系白血病、淋巴系白血病和實體瘤中,SF3B1在特定殘基位點處反復發生錯義突變,在葡萄膜黑色素瘤(uveal melanoma,UVM)中高達14-29%,在環狀鐵粒幼紅細胞骨髓增生異常綜合征中高達65-83%。剪接過程主要由U1-U6完成,其中U2主要功能是識別3’剪接位點,突變的SF3B1則導致異常3’剪接位點的使用;U1主要功能是識別5’剪接位點。SF3B1是癌癥中最常被檢測到突變的RNA剪接因子,但SF3B1突變如何促進癌變的機制目前尚不清楚。是否存在其他剪接組分突變驅動腫瘤發生也有待于進一步研究。


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