Cell Death Dis︱吴旻团队揭示乳腺癌中KDM5C稳定性及增强子重编程的调控机制

撰文︱肖  琼

责编︱方以一，王思珍

编辑︱杨彬薇

组蛋白修饰的变化调控增强子活性，增强子调节异常与癌症的发生发展紧密相关[1]。表观遗传修饰酶和肿瘤特异性增强子参与关键的癌细胞过程，可以作为癌症诊断和治疗的靶点。KDM5C作为一个组蛋白去甲基化酶，在分子水平上主要通过调控染色质组蛋白修饰动态变化控制基因表达[2]。KDM5C不仅可以结合于基因启动子去除H3K4me3甲基从而抑制基因表达，而且可以通过招募p300到靶基因增强子上促进基因表达[3，4]。另外，KDM5C的缺失会过度激活增强子并上调其靶基因的表达[5]。其在不同癌症中可能发挥着截然相反的功能，调节机制仍然难以捉摸。因此寻找KDM5C上下游潜在的调节因子对于其在癌症中参与的增强子和生物学功能调控具有重要意义。

2022年10月3日，武汉大学生命科学学院吴旻教授团队在Cell Death & Disease上发表了题为“Regulation of KDM5C stability and enhancer reprogramming in breast cancer”的研究。该研究筛选发现TRIM11 是组蛋白去甲基化酶KDM5C的一个E3泛素连接酶，阐明了TRIM11降解KDM5C及调控增强子转录活性的机制，为靶向治疗乳腺癌提供了新的分子靶点。

该研究筛选了许多癌细胞系，发现在乳腺癌细胞中TRIM11与KDM5C相互作用，催化其多聚泛素化并通过蛋白酶体促进KDM5C降解。为了进一步探究TRIM11调控KDM5C在乳腺癌中参与的生物学过程，研究人员利用CRISPR/Cas9系统构建了TRIM11敲低、KDM5C敲低和双基因敲低的MDA-MB-231乳腺癌细胞系（图1A）；通过实时细胞检测（RTCA）和Transwell等实验证实TRIM11靶向KDM5C促进乳腺癌细胞MDA-MB-231的增殖和迁移（图1B-D）。然后，研究人员将细胞系注射到4周龄雌性裸鼠上肢腋窝皮下检测各细胞系裸鼠成瘤的能力，结果显示敲低TRIM11抑制皮下肿瘤的形成，敲低KDM5C反之（图1E和1F）。接着，为了探索TRIM11在小鼠和人体内的功能，研究人员构建了TRIM11敲除的MMTV-PyVT乳腺癌小鼠模型，发现TRIM11缺陷抑制乳腺肿瘤的生长并稳定KDM5C（图2）；通过免疫组化染色发现在乳腺癌病人组织中TRIM11高表达，KDM5C低表达，两者表达呈负相关。这些结果表明，TRIM11通过调控KDM5C蛋白稳定性促进乳腺癌的发生。

图1 TRIM11通过降解KDM5C促进乳腺癌细胞增殖和迁移

（图源：Xiao, et al., Cell Death Dis, 2022）

图2 TRIM11促进小鼠乳腺肿瘤生长并调控KDM5C稳定性

（图源：Xiao, et al., Cell Death Dis, 2022）

为了进一步寻找KDM5C的靶基因，研究人员对源自MDA-MB-231的TRIM11或KDM5C敲低细胞系进行了RNA-seq分析和H3K4me3及H3K27ac ChIP-seq分析，发现TRIM11通过靶向KDM5C来调节增强子上组蛋白H3K4me3的水平以及增强子的活性，并参与细胞迁移、脂质代谢和免疫应答相关基因的表达（图3）。为了确定TRIM11和KDM5C下游靶基因的具体调控机制，研究人员挑选分析出来的基因进行表达量和功能验证，发现细胞迁移相关基因MCAM的mRNA转录水平在敲低TRIM11之后下降，敲低KDM5C后升高且在双敲低细胞中有回复（图4A）。KDM5C、H3K4me3和H3K27ac的ChIP结果显示，KDM5C结合于MCAM增强子且该增强子促进MCAM表达；KDM5C敲低以后MCAM增强子上H3K4me3富集增多，TRIM11敲低以后该增强子上H3K4me3的富集减少（图4B-G）。Transwell和划痕实验证明敲低MCAM回复敲低KDM5C或过表达TRIM11促进的乳腺癌细胞迁移。以上结果表明，TRIM11通过KDM5C靶向增强子促进MCAM的表达和乳腺癌细胞迁移。

图3 TRIM11促进小鼠乳腺肿瘤生长并调控KDM5C稳定性

（图源：Xiao, et al., Cell Death Dis, 2022）

图4 TRIM11通过KDM5C靶向MCAM增强子调控其基因表达

（图源：Xiao, et al., Cell Death Dis, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，研究者将TRIM11鉴定为KDM5C的E3泛素连接酶，并证明TRIM11与KDM5C相互作用，催化KDM5C多聚泛素化并调控KDM5C在乳腺癌细胞中的稳定性。TRIM11通过降解KDM5C使得靶基因MCAM增强子上H3K4me3增加，促进增强子活性、基因表达、乳腺癌细胞迁移和肿瘤生长。总之，该研究揭示了TRIM11和KDM5C在乳腺癌发生和发展过程中调控靶基因增强子的新机制，为TRIM11高表达或KDM5C突变的乳腺癌患者的诊断治疗提供了新的思路和潜在的新靶点。MCAM的高表达、癌基因增强子活性升高也可能用于部分乳腺肿瘤诊断中。未来人们可以通过表观遗传编辑技术对癌基因增强子进行抑制来实现肿瘤的靶向治疗。作者筛选了许多肿瘤细胞，但TRIM11调控KDM5C稳定性只在某些乳腺癌细胞中特异性存在。TRIM11在不同癌细胞中选择性调控KDM5C的机制有待于进一步研究，这可能对于后续某些类型癌症的临床治疗具有重要意义。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41419-022-05296-5

本文第一作者为武汉大学生命科学学院肖琼博士，武汉大学生命科学学院吴旻教授为本文通讯作者。该研究获得国家自然科学基金会支持。

第一作者：肖琼（第一排左五），通讯作者：吴旻（第二排左六）

（照片提供自：吴旻实验室）

通讯作者简介（上下滑动阅读） 

吴旻，武汉大学生命科学学院教授，博士生导师。

主要研究领域和兴趣：

细胞内表观遗传的变化在多个层面上影响染色质的结构和基因转录活性，并参与了人类多种疾病的发生。本实验室主要关注表观遗传因子，特别是蛋白质的甲基化修饰，在天然免疫和恶性肿瘤发生发展中的作用及其分子机制。目前研究主要分为两部分：
1）细胞内组蛋白甲基化等表观遗传标记建立、维持和遗传的分子调控机制；
2）炎症和癌症中关键信号转导通路的表观遗传调控机制。

近一年发表的代表性文章：

1.   1.    Li, Q.-L., et al., Genome-wide profiling in colorectal cancer identifies PHF19 and TBC1D16 as oncogenic super enhancers. Nature Communications, 2021. 12(1): p. 6407.   
2.   2.    Li, X.J., et al., Deficiency of Histone Methyltransferase SET Domain-Containing 2 in Liver Leads to Abnormal Lipid Metabolism and HCC. Hepatology, 2021. 73(5): p. 1797-1815.
3.   3.    Wang, Z., et al., Epigenetic Dysregulation Induces Translocation of Histone H3 into Cytoplasm. Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany), 2021. 8(19), e2100779.  
4.   4.    Zheng, J. Y., et al.,MLL3 suppresses tumorigenesis through regulating TNS3 enhancer activity. Cell death & disease, 2021.12(4), 364.

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参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Yao, J., Chen, J., Li, L.Y. & Wu, M. Epigenetic plasticity of enhancers in cancer. Transcription 11, 26-36 (2020).

[2] Iwase, S. et al. The X-linked mental retardation gene SMCX/JARID1C defines a family of histone H3 lysine 4 demethylases. Cell 128, 1077-88 (2007).

[3] Zheng, Q. et al. Deficiency of the X-inactivation escaping gene KDM5C in clear cell renal cell carcinoma promotes tumorigenicity by reprogramming glycogen metabolism and inhibiting ferroptosis. Theranostics 11, 8674-8691 (2021).

[4] Shen, H.F. et al. The Dual Function of KDM5C in Both Gene Transcriptional Activation and Repression Promotes Breast Cancer Cell Growth and Tumorigenesis. Adv Sci (Weinh)8, 2004635 (2021).

[5] Shen, H. et al. Suppression of Enhancer Overactivation by a RACK7-Histone Demethylase Complex. Cell 165, 331-42 (2016).

本文完