复旦大学在Cell发表重要表观遗传学研究成果【BioArt独家详细解读】

Original 2016-04-08 BioArt BioArt

就在北京时间4月7日最后的几分钟，Cell在线发表了来自复旦大学生物医学研究院（IBS）表观遗传学实验室施扬、蓝斐、石雨江教授课题组的最新研究成果。而7号当天复旦已经召开了新闻发布会发布了这一重大成果，各大媒体均有报道。该文章通讯作者为施扬和蓝斐两位教授，第一单位为复旦大学。BioArt得知后，第一时间对该文进行如下解读：

Cell文章截图

在此项研究中，研究人员揭示了在细胞中，染色质中的增强子失控会加剧附近癌基因的激活，从而促进细胞异常增殖癌变。深入的研究表明，这类增强的活性受到该区域蛋白复合体中H3K4me3的“Reader”RACK7（Receptor for activated C-kinase 7， ZMYND8）和去组蛋白甲基化酶KDM5C（JARID1C）的调控，正常情形下RACK7和KDM5C可抑制增强子的活性，从而抑制癌基因的过表达。相反，如果敲低或敲除RACK7和KDM5C则加深了增强子的过度活化，这一活化是由于此时组蛋白上的甲基化修饰H3K4me3和乙酰化修饰H3K27Ac上升加之eRNA转录的增加，从而导致癌基因的过度激活，进一步分析表明是一类被称为S100A的癌基因家族（S100基因家族是一个编码钙离子结合蛋白的家族，共有21名家族成员。该家族中许多成员的表达在多种肿瘤形成过程中出现异常；同时该家族中有16名成员染色体定位均位于1q21区带，该区稳定性差，易发生染色体的缺失、易位、重叠等改变，与肿瘤的发生关系密切--摘自郑州大学姬峻芳的硕士论文）受到RACK7和KDM5C的调控。我们可形象的称RACK7和KDM5C为增强子的“车闸”，从而保证了增强子不被随意过度激活，进而抑制了肿瘤的发生。

众所周知，增强子在基因的表达调控中扮演者重要角色。静息的增强子向活化的增强子转变是许多生物学过程中的重要的过程，包括胚肝干细胞的分化。而目前的研究表明，增强子的活性主要周到染色质上组蛋白的甲基化和乙酰化的调控。一般来说H3K4me3和H3K27Ac与激活的增强子相关，而H3K4me1和H3K27me3则与静息的增强子相关。近几年也发现了一类被称之为enhancer RNAs（eRNAs）可以作为激活的增强子的标志物（marker），这主要是通过调控Pol2聚合酶的终止或释放（pause/release）来实现的。2013年来自MIT Whitehead研究所的Richard Young和Dana-Farber癌症研究所的合作者们在Cell上同时发表两篇文章（目前谷歌学术显示的引用次数都超过400）提出了“超级增强子”（super-enhancers）的概念，引发了一时轰动，后续也有不少人跟进，因为这两项研究重新确立了一种基因表达调控的模型，这一模型简化了基因表达调控的复杂性。关于超级增强子，2015年Jason D Lieb（注：BioArt此前发表的《生物大牛缘何因“性骚扰”离职？》一文中的主角）在Nature Genatics上发表题为《What are super-enhancers?》的一文中有如下定义或解释：

“The term 'super-enhancer' has been used to describe groups of putative enhancers in close genomic proximity with unusually high levels of Mediator binding, as measured by chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq).”

Young 说：“我们一直惊叹细胞控制的复杂性，在构成人体的各种各样细胞中，数百万的增强子控制着数以万计的基因。因此，发现只有数百的超级增强子控制了赋予每个细胞特性和功能的大多数关键基因，并且这些特异的控制在癌症和其他疾病中遭到了劫持，是令人感到惊喜的。”（此段摘自生物通）

Richard A. Young小组2013年在Cell上同时发表的文章截图

但是问题来了，一旦增强子或者超级增强子被激活，那么是否会被进一步激活呢？这种生物学意义又是什么呢？——这就是这篇Cell文章想要解决的问题。而且这两年不断地有文章报道增强子或者超级增强子的某些突变能调控癌基因和抑癌基因的表达，这也促使了研究增强子或超级增强子是如何被调控的的分子机制。

研究结果与主要思路

1、基于小编个人的判断，这项研究工作应该最初来源于找到了H3K4me3的Reader蛋白RACK7，并且RACK7是与该课题组2014年发表在Mol Cell上的H3.3K36me3的Reader蛋白BS69/ZMYND11有很大的同源性。第一个实验首先证明了RACK7和KDM5C是有相互作用的（质谱加Co-IP），并且这两个蛋白的ChIP-seq数据表明他们是富集在激活的增强子或超级增强子区域的。已知KDM5C是H3K4me3的去甲基化酶，那么KDM5C是如何被招募到特定位点的呢？然后猜测有可能是RACK7招募KDM5C过去。通过运用Cas9的手段首先拿到了两个PACK7的KO稳系，发现KDM5C的蛋白总量并没有变化，于是认为KDM5C在染色质的上的结合减少是由于RACK7的确实引起的（小编好像没看到核质分离的data）。

2、RACK7和KDM5C的缺失导致了激活的增强子关联的H3K4me3上升，H3K4me1水平下降（KO细胞ChIP-seq实验证明，用WT的RACK7蛋白还进行了rescue实验），从而过度激活了增强子。

3、证明了RACK7和KDM5C的缺失导致了eRNA转录的增加。

4、证明了RACK7和KDM5C的缺失与周围基因的转录激活相关。

5、RACK7和KDM5C的缺失影响肿瘤的形成实验，并进一步确认是与S100A肿瘤基因部分相关......

小结

从此文的最后一段讨论部分和今天的各大媒体的通稿来看，似乎为癌症的治疗提供了新的靶点和思路，具备一定的前景。特别了针对某一类肿瘤靶向抑制相关的组蛋白甲基化转移酶或许是可行的。然而最后能否真正成为肿瘤治疗靶点，拭目以待吧！或许“你懂得”。

说明：此文在Cell online之际开始撰写，由于时间紧凑，或有适当之处敬请读者批评指正！

附：施扬、蓝斐、石雨江教授简介

施扬
博士，“长江学者”讲座教授，复旦大学生物医学研究院PI

施扬教授,博士生导师，复旦大学分时教授和哈佛大学终生教授。1982年毕业于上海医科大学药学系，1987年于纽约大学分子生物学专业获得博士学位。1991年受聘在哈佛大学医学院，于2004年聘为哈佛终生教授，并从2009年开始受聘为波士顿儿童医院医学系Merton Bernfield新生儿科学讲席教授。于2005年受聘复旦大学长江学者讲座教授，上海生物医学研究院分时教授并担任本表观研究中心总负责人。2012年入选为“千人计划”讲座教授 (B 类)。施扬教授长期从事生物化学以及分子生物学等方面的研究，并在表观遗传学研究中取得突破性成就，在国际上率先发现了首个组蛋白去甲基酶并开创表观遗传去甲基化领域，做为第一作者和通讯作者已发表过11篇Nature和Cell论文。

施扬教授在基因表达调控和染色质修饰等生物学领域做出过大量重大发现。在线虫中，发现了组蛋白乙酰化酶CBP/p300在分化中起关键作用，揭示了细胞命运和组织分化过程中表现出了乙酰化和去乙酰化的动态双向调控关系；并首次发明了基于DNA载体的RNA干扰技术，该技术目前广泛应用于哺乳动物基因功能的相关研究中。最重要的研究成果之一是发现了首个组蛋白赖氨酸去甲基化酶LSD1, 结束了长达40多年关于组蛋白是否可以去甲基化的争议，开启了组蛋白修饰动态调控的新领域，该成果发表在2004年的Cell上。此后他的实验室还发现了大量JMJC类去甲基化酶。到目前为止，仅RNAi 和 LSD1 两篇论文已经被引用3000次（Goole Scholar数据）。施扬教授在组蛋白去甲基化方面的研究推动表观遗传学快速发展，深化人们对组蛋白甲基化修饰的认识，这些工作将对生物医药产生深远影响。

蓝斐
博士，教授，复旦大学生物医学研究院PI

蓝斐教授，博士生导师。1999年于上海复旦大学生物化学系获学士学位, 2002年获得复旦大学分子肿瘤学硕士学位，2008年获得美国哈佛大学细胞发育博士学位。博士期间在表观遗传甲基化可逆调控方向做出大量突出贡献，多篇论文发表在顶级期刊上，毕业时获得哈佛医学院院长提名嘉奖。博士毕业后，作为首位创始员工，受邀加入全球首批表观遗传制药公司（美）Constellation Pharmaceuticals，主要目标定位于将表观遗传学的科研成果转化成为有药用价值的产品，特别是在肿瘤和免疫疾病方面。在该公司，作为核心技术员工，参与大量公司组建工作并主导了多个药物研发项目，对表观遗传靶向性治疗的进展和前景有着极强的把握力。2012年11月辞去美国的职位，全职受聘于复旦大学，入选中组部第四批“青年千人计划”（2012年11月），并同月荣获上海高校特聘教授（“东方学者”2012）称号。回国后，蓝斐教授的主要科研方向将拓宽到新兴的非组蛋白表观遗传修饰的生物学意义及其调控机理，并揭示表观遗传异常在肿瘤及其它疾病发生过程中的作用，为抗肿瘤药物靶标的发现以及最终成药提供理论和实验依据。

蓝斐教授作为蛋白去甲基化领域的主要开辟者主导并参与发现了已知的21类去甲基化酶中的16类，包括第一个去甲基化酶LSD1，以及之后的4大类JMJC去甲基化酶家族的发现和功能研究。此外，他还首次发现了未甲基化赖氨酸的识别机理。这些开创性的工作不仅为表观遗传学甲基化标记的动态调控提供了大量的实验证据，并大大完善了甲基化生物学调控的理论体系。为了更好的理解疾病表观遗传学并获得转化医学的宝贵经验，蓝斐教授在博士毕业后接受了美国Constellation Pharmaceuticals的邀请，做为首位员工加盟并创建公司研发团队以及制定研发方向，在公司中多项临床前项目中做出重要贡献。现在该公司是业界公认的最具创新性的表观遗传公司。蓝斐教授发表SCI论文20余篇，作为第一和共同第一作者发表过3篇Nature和Cell文章，他的科研和创新成果还用于3项国际专利申请。

石雨江

博士，教授，复旦生物医学研究院表观遗传学中心PI

石雨江教授，博士生导师，复旦大学分时教授和哈佛大学助理教授。1990年中国武汉大学生物化学专业获学士学位；2000年获美国佛罗里达大学细胞和发育生物专业博士学位；2001至2005 美国哈佛大学医学院病理部施扬教授实验室博士后；2005至今美国哈佛大学医学院助理教授；2007年至今任复旦大学分时教授。1999获美国佛罗里达大学医学协会研究奖（Medical Guild ResearchAward, U. OF Florida）；2001至2005年美国哈佛大学医学院NIH个人国家研究服务奖（NIH Individual National Research Service Award, Harvard Medical School）； 2006至2010年获PEW奖, PEW奖主要授予杰出且具有重大发展潜力的年轻科学家；石雨江教授是第一个组蛋白去甲基化酶LSD1的发现者,近年来对DNA去甲基化酶TET蛋白家族的研究取得开创性成果, 做为第一作者和通讯作者已发表5篇Nature和Cell论文。

石雨江教授主要从事表观遗传学前沿领域基础科学研究。2003年成功分离了辅助抑制因子CtBP复合物，第一次证明染色质修饰复合物通常具备催化多步骤协同反应酶活性(Nature2003)；2004年做为第一作者发现了首例组蛋白去甲基化酶LSD1(Cell2004)，结束了长达40年关于组蛋白去甲基化可逆性的争论；2007年发现并鉴定了组蛋白H3赖氨酸4位甲基化(H3K4me3)的去甲基化酶--SMCX/JARID1C复合体(Nature 2007)；2010年还发现了人类LSD2基因具有激活转录延伸的新功能（Mol.Cell 2010）。近年来发现了TET羟化酶家族具有动态调控DNA甲基化和羟甲基化的功能，阐明了其在基因组中的分布特征；确定了DNA羟甲基化在黑色素瘤发生发展的关键作用，及其缺失作为肿瘤发生标记的可能 (Cell 2012)；并发现Tet3 CXXC结构域和双加氧酶通过调控重要靶基因从而在爪蟾眼睛和神经发育中发挥关键作用（Cell 2012）。

温馨提示：为鼓励BioArt的读者之间相互交流，我们基于部分读者建了一个BioArt生命医学交流群，本群成员主要为国内科研机构年轻的独立PI（其中包括长江学者两名，国家杰青两名，中组部青年拔尖人才一名，中科院“百人计划”2名，国家“青年千人计划”8名，国家“千人计划”创业人才1名，知名生物公司CEO3名，国家优青3名，青年973首席一名）、Cell Research专职编辑一名，国内外顶尖机构的博后（哈佛、MIT、剑桥、耶鲁、NIH、UCSD、贝勒医学院、MD 安德森肿瘤中心、德克萨斯西南医学中心、马普所、NIBS、港大、香港科技大学、协和医学院、清北复交浙等）和国内外优秀博士生（包括四名吴瑞奖得主，其中以第一作者身份在CNS主刊发表文章的博士超过10名），欢迎PI和博士入群，入群请加微信号：fullbellies，加微信请注明姓名-单位-研究方向。