Cell聚焦G34RV型胶质瘤H33G

章台柳责编

兮高级别胶质瘤（HGGs）是致命的原发性脑肿瘤，伴有组蛋白H3或表观遗传修饰因子的体细胞突变。HGGs是青少年和年轻人的主要死亡原因之一，主要发生在大脑半球叶，大量的病例被认为是表观遗传紊乱导致。超过30%的HGGs携带非典型H3.3变体的杂合子突变（即34位甘氨酸突变为精氨酸或缬氨酸，G34R/V）。G34R/V型肿瘤具有独特的病理组织学异质性以及不同程度的双重神经-胶质细胞间隔等特点，容易导致误诊，近30%的中枢神经系统原始神经外胚层肿瘤被证明是G34R/V突变HGGs。分子水平上，G34R/VHGGs具有统一的特征：总是携带ATRX和TP53的突变、缺乏少突胶质细胞标记物OLIG2的免疫反应性、DNA甲基化分析与其他胶质瘤有明显差异。与影响经典H3.1/2和H3.3变体的K27M或K36M突变不同，G34R/V仅出现在非经典H3.3上，且是顺式作用，同时大量的氨基酸替换抑制相邻H3.3K36的翻译后修饰以及被特异性reader识别。目前对于G34R/VHGGs的致癌或发育途径的理解有限，阻碍了建模研究和治疗策略的制定。而选定合理的人群研究其分子图谱也是非常具有挑战的，因为其年龄组跨越了儿科和成人护理，且具有较高的误诊率。近日，来自加拿大麦吉尔大学的ClaudiaL.Kleinman和NadaJabado在Cell杂志上发表文章HistoneH3.3G34-MutantInterneuronProgenitorsCo-optPDGFRAforGliomagenesis，进行了目前为止最大人群的原发/复发G34R/VHGGs试验，从基因组、表观遗传组和转录组（bulk和single-cell）水平进行综合描绘分子图谱。发现50%的G34R/V肿瘤携带激活的PDGFRA突变，复发时PDGFRA突变比例更高。虽然被认为是胶质瘤，但G34R/V肿瘤实际上起源于GSX2/DLX+中间神经元祖细胞中，G34R/V突变损伤神经元的分化。机制上，这种起源可能通过形成染色质环的相互作用连接PDGFRA和GSX2调节元件，促进PDGFRA过表达和突变。单细胞水平上，G34R/V肿瘤具有双重的神经元/星形胶质细胞特征、缺乏少树突胶质细胞表征、受到GSX2/DLX介导的细胞命运决定的主动抑制。此外，G34R/V对肿瘤的维持可能是不必要的，而PDGFRA突变才是潜在的致癌原因。研究人员首先招募了80位G34R（诊断72人，复发8人）和15位G34V（诊断9人，复发6人）HGGs患者。与IDH1-/SETD2突变/野生型HGGs患者相比，G34R/V具有TP53和ATRX突变，同时具有高频次的PDGFRA突变（44%），且PDGFRA高表达，而PDGFRA突变的比例（81%）在复发患者更高。G34R/V和PDGFRA突变共同出现的机率比其他的高7-8倍。PDGFRA是III型受体酪氨酸激酶（RTK），具有5个细胞外免疫球蛋白样结构域。G34R/VHGGs中，85%的PDGFRA突变发生在第二到第四个细胞外免疫球蛋白样结构域。同时，观察到明显的ERK磷酸化，下游的MAPK/ERK通路被激活。即G34R/V肿瘤中，PRGFRA突变促进其RTK活性及其下游信号通路组成性活化。随后，研究人员利用转录组和表观遗传组学分析G34R/V肿瘤的发育起源，发现G34R/V胶质瘤的转录组具有皮质中间神经元谱系（包括放射状胶质细胞、神经祖细胞和中间神经元）的特征，而兴奋性神经元和少突胶质细胞表达特征缺失。皮层中间神经元在胚胎发育过程中起源于神经节突起（GEs），GSX2和DLX1/2等转录因子网络对这些区域进行模块化，并确定中间神经元的分化命运。G34R/VHGGs显著上调Gsx2+SVZ祖细胞的表达特征，即显著上调GSX2、人桡神经胶质细胞标记物MOXD1、中间神经元转录因子DLX1/2等、中间神经元标记物GAD2、SCGN、NPY和CALB2。表观遗传分析显示GSX2和DLX1/2表现出表达活跃的染色质构象，富含激活的H3K27ac，缺乏抑制性H3K27me3，印证了起源于中间神经元。进一步研究发现G34R/V组蛋白或通过异常的H3K27me3保留在特定的调控神经元成熟的基因位点而直接阻碍终末神经元的分化。那么，G34R/V和PDGFRA突变相关联的机制是什么？G34R/V肿瘤和细胞系中，PDGFRA表达和GSX2具有正相关，但这两个基因通常表达于不同的细胞谱系，提示PDGFRA或劫持顺式调控区域，促进其在G34R/VHGGs中的异位表达。Hi-C和H3K27ac、CTCFChIP-seq显示，G34R/V中不仅存在一个包含PDGFRA启动子的拓扑相关结构域（TAD），而且存在连接PDGFRA启动子和hs（GSX2远端增强子）的相互作用环。胚胎干细胞中，Pdgfra和Gsx2存在一个由PRC2介导的较强的启动子-启动子相互作用，而Pdgfra和hs之间没有相互作用；胚胎13.5天时，GE中hs和Gsx2之间出现相互作用环，而且GEs中存在第二个Pdgfra和hs的强相互作用环。即G34R/V肿瘤中，GSX2相关的顺式调控元件被招募用来诱导PDGFRA的异常表达。PDGFRA突变对G34R/VHGGs的细胞异质性有什么样的影响呢？对6个PDGFRAWT和10个PDGFRAMUT肿瘤进行scRNA-seq，发现G34R/V肿瘤主要由神经元和星形胶质细胞样细胞组成，所有G34R/V肿瘤都明显缺乏少突胶质样细胞，免疫细胞数量有限。细胞间，G34R/V星形细胞和神经元细胞高度发育异常，大多数细胞表现为神经元间和星形胶质细胞基因标记的异常共表达；个体间，G34R/VHGG表现出明显的肿瘤间异质性，神经元和星形胶质样细胞比例不同。PDGFRAMUTG34R/VHGG的星形胶质细胞扩增。对复发的肿瘤进行分析，发现PDGFRA是唯一共有的突变基因，且克隆异质性较少，星形胶质细胞扩增，神经元样细胞减少。此外，G34R/V突变对于肿瘤的维持是非必需的，而突变的PDGFRA才是潜在的致癌驱动因子。总的来说，研究从基因组、表观遗传组和转录组绘制了致命性肿瘤脑胶质瘤的组学图谱，并揭示出G34R/V基因突变导致中间神经元祖细胞分化停滞，其与PDGFRA激活突变的共同作用促进恶性胶质瘤的发生，提示PDGFRA或是靶向治疗脑胶质瘤的潜在位点。原文链接