耐藥是導致癌癥復發(fā)和患者預后不良的主要原因之一。 表觀遺傳調控是一種獨立于核苷酸序列變化的基因表達的可遺傳改變。DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA（ncRNAs）調控是常見的表觀遺傳調控機制。諸多證據表明，表觀遺傳調控異常會導致腫瘤耐藥。因此，靶向表觀遺傳調控因子是逆轉腫瘤耐藥的有效策略。
今天小編想和大家分享的便是表觀遺傳調控在腫瘤耐藥中發(fā)揮作用的途徑與方法。其次，小編還會和大家一起探討表觀遺傳修飾的必要因子，組蛋白去甲基化酶家族的功能以及與癌癥耐藥相關的調控機制，并對表觀遺傳相關治療策略進行簡單總結。
一
常見耐藥機制
腫瘤耐藥是目前癌癥治療面臨的關鍵問題之一，目前已有多種耐藥機制被發(fā)現(xiàn)，包括ABC轉運蛋白過表達、腫瘤干細胞（cancer stem cells，CSCs）富集、上皮-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)、自噬、凋亡、基因突變和表觀遺傳調控等（圖1）。今天小編想和大家主要分享的便是表觀遺傳調控的耐藥機制。
圖1. 常見耐藥機制
二
表觀遺傳調控的腫瘤耐藥機制
表觀遺傳修飾是指基因表達在不改變DNA序列的情況下發(fā)生的可遺傳變化，ncRNAs、DNA甲基化和組蛋白修飾(包括組蛋白乙酰化和甲基化)在腫瘤耐藥中的表觀遺傳調控中發(fā)揮重要作用（圖2）。DNA甲基化由DNA甲基轉移酶和DNA去甲基酶維持，組蛋白乙酰化由組蛋白乙酰轉移酶和組蛋白去乙酰酶調節(jié)，組蛋白甲基化由組蛋白去甲基酶和組蛋白甲基轉移酶維持。
圖2. 表觀遺傳調控的腫瘤耐藥機制
DNA和組蛋白修飾不僅影響轉錄因子的功能，還與染色質重塑和非編碼RNA等其他表觀遺傳修飾密切相關，共同調節(jié)腫瘤過程。通常，DNA甲基化影響基因表達、轉錄和活性。在DNA甲基轉移酶的作用下，基因啟動子高甲基化，進而導致轉錄抑制以及基因表達的降低。
此外，組蛋白修飾（乙?；⒘姿峄?、甲基化、ADP核糖化）是一種重要的表觀遺傳模式。目前大多數(shù)研究集中在乙?；?、甲基化和磷酸化上。大量研究表明，組蛋白尾部的翻譯后修飾對癌癥的發(fā)生和發(fā)展至關重要，包括組蛋白去甲基酶、組蛋白甲基轉移酶、組蛋白去乙酰酶、組蛋白乙酰轉移酶(HATs)和ADP核糖基轉移酶。在多種癌癥中，組蛋白乙?；c基因轉錄密切相關，組蛋白乙?；母淖兣c癌癥表型密切相關，其調節(jié)異常通常導致癌基因的激活或抑癌基因的失活，以及許多信號通路的功能障礙，進而導致腫瘤耐藥。因此，靶向表觀遺傳修飾是克服腫瘤耐藥的潛在策略之一。
三
不同表觀遺傳修飾在腫瘤耐藥中的作用
圖3. 不同表觀遺傳修飾在腫瘤耐藥中的作用
1.DNA甲基化與耐藥：
在DNA甲基化轉移酶的作用下，基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共價鍵結合一個甲基基團。研究表明，DNA甲基化導致的抑癌基因抑制，是多種癌癥的基本發(fā)病機制，比如腫瘤抑制基因RB1和DNA修復基因BRCA1等。DNA甲基轉移酶家族有五個成員，分別是DNMT1、DNMT2、DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L。
DNA甲基化由DNA甲基轉移酶和DNA去甲基化酶協(xié)同調控Notch和Wnt/β-catenin信號通路影響細胞凋亡、干性、EMT和細胞增殖，進而導致耐藥（圖3）。除DNA甲基轉移酶，DNA去甲基化酶也在耐藥性中發(fā)揮重要作用(圖3)。DNA去甲基酶家族TETs與DNMTs協(xié)同工作以維持DNA甲基化的平衡。
DNA甲基化除通過影響基因表達調控腫瘤發(fā)展外，還可以與組蛋白修飾、核小體定位等表觀遺傳修飾相互作用，協(xié)同調控染色質形成。到目前為止，已經開發(fā)許多靶向DNA甲基化的小分子抑制劑。其中，azacytidine等多款DNMT抑制劑已經進入臨床試驗。
2.ncRNAs與耐藥：
ncRNAs是基因表達的關鍵調控因子之一，主要由4個小核苷酸（miRNAs，piRNAs，tsRNAs，snoRNAs）和2個大核苷酸（circRNAs，lncRNAs）組成，在癌癥進展或腫瘤耐藥中發(fā)揮雙重作用。miRNAs可以與靶mRNAs的3’端互補序列結合，導致mRNAs靶點的翻譯抑制或降解，具有促進或抑制腫瘤進展的雙重作用；lncRNAs是一種具有共價封閉環(huán)狀結構的單鏈RNA，同樣具有作為致癌因子或腫瘤抑制因子雙重作用；circRNAs能夠直接與蛋白質結合并與miRNAs相互作用以調節(jié)癌癥發(fā)生發(fā)展。此外，lncRNAs能夠與蛋白質或DNA結合進而發(fā)揮促癌或抑癌作用。例如，MEG3可以上調p53，并促進p53與GDF15啟動子的結合，從而抑制腫瘤的生長；相反，癌基因lncRNA HOX轉錄反義RNA過表達可增加多種腫瘤的轉移和侵襲能力。
3.組蛋白修飾與耐藥：
組蛋白修飾主要包括組蛋白甲基化和乙酰化。組蛋白甲基化和乙?；謩e通過組蛋白去甲基酶和甲基轉移酶、組蛋白乙酰轉移酶和組蛋白去乙酰酶來保持基因表達的平衡，在抗癌方面起著雙刃劍的作用。乙?；话惆l(fā)生在組蛋白尾部的賴氨酸殘基上，主要由兩種功能相反的酶: 組蛋白乙酰化酶（HATs）和組蛋白去乙?；?HDACs)調節(jié)，從而影響細胞內pH值和影響基因轉錄活性和染色質結構來動態(tài)調節(jié)癌癥進展。除已經被FDA批準用于臨床治療的四種HDAC抑制劑外，HDAC抑制劑與mTOR抑制劑、免疫檢查點抑制劑的聯(lián)合治療也已成為臨床和臨床前研究的重要組成部分。
組蛋白甲基轉移酶(HMTs)又被稱為蛋白甲基轉移酶(PMTs)，可分為組蛋白賴氨酸甲基轉移酶(HKMTs或PKMTs)和組蛋白精氨酸甲基轉移酶(HRMTs或PRMTs)。組蛋白甲基轉移酶與耐藥密切相關(圖3)。比如，EZH2的高表達可激活細胞生存通路，導致卵巢癌對順鉑的耐藥。截至目前，針對組蛋白甲基轉移酶的抑制劑主要以EZH2為靶點，I/II期臨床試驗也在多種癌癥中有序進行。
組蛋白去甲基化酶(HDMTs)是一個可逆的動態(tài)調控過程，組蛋白甲基化異?？芍苯踊蜷g接影響生理病理過程。組蛋白去甲基酶可以通過調節(jié)基因轉錄、促進自噬、減少細胞凋亡、影響細胞代謝過程、促進上皮-間質轉化等過程導致耐藥。相反，通過抑制劑或siRNA靶向組蛋白去甲基酶可以逆轉耐藥性(圖4)。因此，小編接下來想和大家分享的便是組蛋白去甲基酶抑制劑在臨床試驗中的分類及作用，并對組蛋白去甲基酶在腫瘤耐藥中的作用和靶向組蛋白去甲基酶逆轉耐藥的有效策略進行詳細介紹。
圖4. 組蛋白去甲基酶調節(jié)腫瘤耐藥
四
組蛋白去甲基酶的分類與功能
組蛋白去甲基酶包括組蛋白賴氨酸去甲基酶和組蛋白精氨酸去甲基酶，已有大量關于組蛋白賴氨酸去甲基酶的報道，而對組蛋白精氨酸去甲基酶的報道相對較少。組蛋白去甲基酶主要有三個家族:賴氨酸特異去甲基酶(LSD)家族、Jumonji C(JmjC)-domain-containing去甲基酶(JMJD)家族和組蛋白精氨酸去甲基酶，其去甲基位點如圖5所示。不同的去甲基酶可以使組蛋白的不同甲基化位點脫甲基。
圖5. 組蛋白去甲基酶的分類及其去甲基位點
1. LSD家族結構域與催化機理
LSD家族由LSD1和LSD2組成。LSD1又名KDM1A、BHC110和AOF2，由三個主要結構域組成:(1)位于n端，負責與其他蛋白質相互作用的SWIRM結構域，(2)由兩個反向平行的α螺旋組成，保證LSD1去甲基化正常功能的Tower結構域，(3)位于LSD1 C端的AOL域，AOL域被Tower結構域分為兩個區(qū)域，一個用于底物結合和識別，另一個被定義為非共價黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的結合位點(圖6A)。LSD1與不同的輔因子或底物結合可以產生不同的功能，與CoREST、 CtBP、NuRD相互作用，可以使H3K4me1/me2脫甲基，從而增強DNMTs的表達和DNA的再甲基化進而抑制基因轉錄；然而，在雌激素或雄激素存在時，LSD1可使H3K9脫甲基并激活基因表達。
LSD2，也被稱為KDM1B和AOF1，是另一種FAD依賴的氨氧化酶(圖6A)。與LSD1不同， LSD2含有N端鋅指結構域，對維持去甲基化活性異常重要。LSD2是一種H3K4me1/me2去甲基化酶，可以通過H3K4me1/2去甲基化抑制p53或TFPI-2等基因表達，進而影響癌癥進展。
每兩個組蛋白H2A、H2B、H3、H4分子組成一個核心蛋白八聚體，約146 bp的DNA結合在八聚體周圍形成核小體，去甲基酶通過去除組蛋白上的甲基發(fā)揮作用(圖6B)。
圖6. LSD家族的結構域及催化機理
2. 含有JmjC結構域的蛋白質家族
JMJD由6個家族的21個含有 JmjC 結構域的蛋白組成，對組蛋白賴氨酸和精氨酸進行脫甲基，包括FBXL (KDM2)、JMJD1 (KDM3)家族、JMJD2 (KDM4)家族、JARID1 (KDM5)家族、KDM7家族。
FBXL (KDM2)家族由KDM2A和KDM2B組成，KDM2A高表達受多種因素影響，包括microRNA、炎癥和缺氧。KDM2B具有特定的H3K4me3去甲基酶活性，能夠抑制核糖體RNA并負向調節(jié)細胞增殖(圖5)。
JMJD1 (KDM3)家族：JMJD1家族中有三個蛋白，分別是KDM3A、KDM3B和KDM3C，它們都能導致H3K9me1/me2去甲基化(圖5)。KDM3A能以去甲基化依賴的方式上調DCLK1和CDK6，維持胰腺癌的發(fā)生和發(fā)展。
JMJD2 (KDM4)家族：JMJD2家族由六種蛋白(KDM4A-F)組成，都具有導致H3K9me2/me3和H3K36me2/me3去甲基化的能力，有助于乳腺癌等癌癥的形成(圖5)。研究表明，KDM4蛋白的過表達可以改變轉錄和染色質重塑，從而誘導細胞增殖，而敲除KDM4后去甲基酶可以通過增加起始位點H3K9me3的積累來下調Taf1b和Nom1基因的表達，從而下調造血干細胞的維持。
JARID1 (KDM5)家族：由KDM5A、KDM5B、KDM5C和KDM5D這4個去甲基化蛋白組成。KDM5A的結構包含3個PHD結構域，其中 PHD1結構域可以優(yōu)先識別未甲基化的H3K4組蛋白尾部并刺激其活性(圖5)。值得注意的是，KDM5B在乳腺癌和前列腺癌中表達上調，敲除KDM5B可激活AMPK信號通路，逆轉上皮-間充質轉化(EMT)，誘導脂質重編程，抑制細胞增殖和遷移，而其過表達可增強PI3K/AKT信號通路。
UTX/JMJD3 (KDM6)家族：KDM6A和KDM6B可以使H3K27me2/ me3221脫甲基，而KDM6C沒有酶活性。此外，KDM6B在維持干細胞功能方面發(fā)揮重要作用，可通過調節(jié)Pax6等影響胚胎干細胞(ESC)的分化。膀胱癌中KDM6C還可以影響p53和FGFR3的表達。
KDM7家族：KDM7A和KDM7B可以參與H3K27me1/2、H3K9me1/2和H4K20me1的去甲基化，促進癌癥進展(圖5)，而PHF2則被認為可以抑制腫瘤生長。
3. 組蛋白精氨酸去甲基化
組蛋白精氨酸甲基化是一個可逆過程，但截至目前只有少數(shù)組蛋白精氨酸去甲基化酶被報道，包括PAD4、JMJD1B、JMJD6等。
五
組蛋白去甲基酶抑制劑
組蛋白去甲基化酶在腫瘤發(fā)生發(fā)揮關鍵作用，多款組蛋白去甲基化酶抑制劑的開發(fā)已成為癌癥治療的研究熱點，已有多款抑制劑被批準用于臨床試驗，以進一步評估其在患者中的療效和安全性(圖7)。其中，LSD1無疑是明星中的明星，已經在肺癌、白血病等多種癌癥或疾病中開啟了廣泛的臨床試驗。與LSD1抑制劑相比，靶向其他去甲基酶的抑制劑較少進入臨床試驗。
圖7. 代表性組蛋白去甲基酶抑制劑及其臨床試驗
六
組蛋白去甲基化酶與癌癥耐藥
表觀遺傳變化，特別是組蛋白甲基化和去甲基化，在耐藥中發(fā)揮重要作用。組蛋白去甲基酶與耐藥密切相關，靶向不同腫瘤的去甲基酶是克服耐藥的潛在策略之一(圖3)。小編進一步想和大家分享的便是不同組蛋白去甲基酶對耐藥的作用和影響。
1.LSD家族與耐藥：
LSD1是一種重要的組蛋白去甲基化酶，可以通過改變H3K4和H3K9的甲基化水平來調節(jié)各種癌細胞的耐藥。LSD1可通過激活NF-kB和Wnt/β-catenin信號通路維持干細胞功能，促進EMT或者與長鏈非編碼RNA相互作用招募LSD1，通過去甲基化修飾導致化療或索拉非尼等藥物耐藥(圖8)。與LSD1相似，LSD2同樣可以增強干細胞特性，誘導細胞凋亡，調節(jié)其他酶的表達進而導致耐藥。
圖8. 賴氨酸特異性去甲基化酶(LSD)家族與耐藥
2.含JmjC結構域蛋白家族與耐藥：
KDM2家族由KDM2A和KDM2B組成。KDM2A可以通過上調干細胞干性標志物Sox2和Oct4的表達來促進細胞干性。在肝癌中抑制KDM2A可減少其下游SOX2、NANOG和OCT4表達，從而減少腫瘤干細胞的形成，降低對索拉非尼的耐藥。KDM2B可以通過增加干細胞和凋亡同時增強耐藥性，在膠質母細胞瘤中靶向KDM2B會損害干細胞的分化能力或者高表達壞死因子相關凋亡誘導配體(TRAIL)，并降低腫瘤生長和血管生成。此外，KDM3A能夠降低p53的表達，KDM3C可以通過ERK/MAPK信號通路抑制EMT。
截止目前，有關KDM3B和KDM3C的研究相對較少，但這些KDM同源物在促進腫瘤生長和耐藥方面中的作用不可小覷。KDM3A和KDM3B對 H3K9去甲基的功能是維持胚胎干細胞功能所必需的。KDM3B能使H4R3me2或者H3K9me2脫甲基，從而影響造血干細胞的發(fā)育和功能。已有報道表明，JMJD1C在紫杉醇耐藥食管鱗狀細胞癌中表達顯著增加。敲除JMJD1C降低細胞轉移能力，增加細胞凋亡能力，從而降低對紫杉醇、吉西他濱和卡鉑等藥物的耐藥性。JMJD1C可能通過調節(jié)miR-200家族和miR-290/295家族來抑制ERK/MAPK信號轉導和EMT過程的激活，正是ESC自我更新所需要的(圖9)。
圖9. KDM2、KDM3家族對耐藥的影響
3.KDM4家族與耐藥：
除JMJD2E和JMJD2F外，KDM4家族的另外4個成員在多種癌癥中過表達，并與耐藥進展密切相關。KDM4A可以控制乳腺癌干細胞(BCSCs)的增殖和自我更新，進而導致治療耐藥。此外，胃癌細胞對抗癌藥物的敏感性可以通過JMJD2A與其底物CCDC8的相互作用調控。在去勢耐藥前列腺癌(CRPC)中，KDM4A-AS1的表達增加，調節(jié)USP14-AR的穩(wěn)定性，防止AR降解，導致細胞對enzalutamide耐藥。小分子抑制劑NSC636819和JIB-04通過影響CCDC8表達和凋亡抑制KDM4A活性，增加細胞敏感性(圖10)。
此外，在缺氧條件下，KDM4B分別通過激活Wnt/β-catenin通路或與C-Myc相互作用，增加C-Myc轉錄，誘導自噬和增加細胞代謝水平，可能是治療CRPC的潛在策略(圖10)。
KDM4C的高表達與耐藥密切相關。KDM4C能夠通過影響細胞周期和CDC6的轉錄促進癌癥的進展，KDM4D可以通過Wnt/β-catenin和Notch信號通路增加CSC的性質(圖10)。
圖10. KDM4家族與耐藥
4.KDM5家族與耐藥：
KDM5家族與耐藥性密切相關。KDM5A在各種癌癥中高度表達，可通過激活IGF1R和ErbB信號通路，進而促進PI3K/AKT/mTOR通路，并聯(lián)合抑制KDM5D誘導EMT，從而導致紫杉醇等藥物耐藥 (圖11)。
KDM5B可通過激活c-Met信號通路促進干細胞表型、被microRNA-29c-3p(一種腫瘤抑制因子)調控等方式導致多種藥物耐藥。KDM5B可誘導CD34轉化為CD34+，降低小鼠黑素瘤細胞對BRAF抑制劑的敏感性。此外，KDM5B與Ki67（細胞增殖基因）共表達，與犬組織細胞增殖能力呈正相關(圖11)。
KDM5C高表達既可以通過抑制PTEN促進CRPC或鼻咽癌增殖，又可以通過抑制p53及其下游p21和p27的表達促進細胞增殖和遷移(圖11)。有趣的是，KDM5C過表達可以通過對ABCC1的去甲基化降低ABCC1表達，從而抑制結直腸癌細胞對奧沙利鉑和伊立替康等藥物的耐藥性(圖11)。此外，KDM5C的下調可促進腫瘤生長和ccRCC對鐵鐵死亡的抵抗。
與KDM5家族的其他成員相反，KDM5D表達的降低有利于癌細胞的耐藥，比如低表達KDM5D可以通過誘導EMT和對CUL4A啟動子上的H3K4去甲基化來促進胃癌細胞的轉移，或者導致對多西他賽等藥物耐藥(圖11)。
總之，KDM5家族在耐藥中發(fā)揮至關重要的作用，靶向KDM5家族是提高療效的重要途徑。
5.KDM6家族與耐藥：
KDM6A和KDM6B分別通過促進細胞干性和調節(jié)細胞周期來增強耐藥性。
KDM6A表達下調可能會降低ENT1水平，導致阿糖胞苷敏感性降低。此外，H3K27me3低水平與結直腸癌細胞干性和奧沙利鉑耐藥密切相關。PCGF1可增加KDM6A的表達，進一步降低H3K27me3水平，激活干細胞標記物的轉錄，促進干細胞增殖。
KDM6B在多種癌癥中高表達，有利于腫瘤的發(fā)展和耐藥。KDM6B可促進C-Myc及其靶基因CyclinD1的表達，從而促進前列腺癌細胞增殖和腫瘤生長。有趣的是，KDM6B在成神經細胞瘤中過表達，并可激活CDK4/6-pRB-E2F通路，該通路通過H3K27去甲基化與帕博西布耐藥密切相關(圖11)。這些數(shù)據表明抑制KDM6B可能成為克服耐藥的有效治療策略。
6.KDM7家族與耐藥：
截至目前，KDM7家族在耐藥中的研究相對較少。KDM7A可通過H3K27me2去甲基化上調AR轉錄活性，其抑制劑TC-E 5002可顯著降低順鉑耐藥膀胱癌細胞系的細胞活力。PHF8，也被稱為KDM7B，可以通過去甲基化修飾或者與HER2相互作用，增強FOXA2或IL6的表達，促進曲妥珠單抗等抗HER2藥物的耐藥(圖11)。
圖11. KDM5-7家族與耐藥
7.組蛋白精氨酸去甲基酶與耐藥
組蛋白精氨酸去甲基酶PAD4能將精氨酸轉化為瓜氨酸，其不僅能通過調節(jié)EMT和凋亡抑制耐藥的產生，還能在肝細胞癌中促進自噬，導致化療耐藥 (圖12)。以上研究表明，雖然PAD4對不同癌癥的耐藥有不同影響，靶向PAD4仍然是降低耐藥的潛在策略之一。
圖12. 組蛋白精氨酸去甲基酶PAD4的腫瘤耐藥雙刃劍
七
通過靶向組蛋白去甲基酶克服腫瘤耐藥
通過組蛋白去甲基酶抑制劑或其他靶向組蛋白去甲基化的分子可以有效控制耐藥，現(xiàn)有多項研究通過組蛋白去甲基化酶抑制劑和siRNA，靶向LSD1或者KDM家族克服耐藥性（表格）。當單獨使用或與其他藥物聯(lián)合使用時，組蛋白去甲基酶抑制劑通?？梢栽黾踊煹寞熜??？紤]到一些表觀遺傳調控因子之間通過相互作用共同調控腫瘤的發(fā)展，兩種或兩種以上不同靶點抑制劑的聯(lián)合使用可能在逆轉耐藥上發(fā)揮更強功效。因此，開發(fā)多靶點抑制劑、蛋白水解靶向嵌合(PROTAC)分子、變構抑制劑以及那些調節(jié)非酶功能的抑制劑也可能為逆轉腫瘤耐藥提供新的策略。
表格1 通過組蛋白去甲基化酶抑制劑和siRNA克服腫瘤耐藥
今天的分享就是這些啦，最后讓我們簡單的回顧下表觀遺傳調控與腫瘤耐藥的關系吧。ncRNAs、DNA甲基化和組蛋白修飾(包括組蛋白乙?；图谆?等表觀遺傳修飾與腫瘤耐藥密切相關。其中，組蛋白去甲基化酶家族與腫瘤進展和癌癥耐藥相關，為個性化癌癥治療提供分子基礎，靶向組蛋白去甲基化酶抑制劑等表觀遺傳學修飾在克服腫瘤耐藥方面具有廣闊的前景。
最后的最后，小編還要偷偷告訴大家，很多表觀調控因子都是通過直接或間接調控腫瘤干性導致細胞耐藥的，感興趣的同學不妨以此為方向，耐心鉆研一下哦！
參考文獻：
Wang N, Ma T, Yu B. Targeting epigenetic regulators to overcome drug resistance in cancers. Signal Transduct Target Ther. 2023 Feb 17;8(1):69. doi: 10.1038/s41392-023-01341-7. PMID: 36797239; PMCID: PMC9935618
