Dr. X | 表观遗传疗法——探寻抗肿瘤药物开发新视角

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表观遗传修饰的本质是对染色质局部及整体结构的改变，影响了细胞的身份、状态、功能等表型，因此表观遗传标记物在肿瘤早期诊断、治疗响应及预后受到重视。随着测序技术的进步，基于 ChIP-seq 获得了深入的表观遗传组数据积累；伴随基因组、转录组数据的丰富，对与肿瘤发生密切相关的基因调控元件的认知不断深入，为寻找调控肿瘤发生的“开关”、开发新型抗肿瘤药物开辟了新领域。

本文将从与肿瘤密切关联的表观遗传机制和基于表观遗传学的抗肿瘤方案、优势与难点三部分进行概述。

染色质与表观遗传组对基因功能的影响【2】。

肿瘤相关的表观遗传机制

主要存在三种方式：DNA 甲基化、组蛋白翻译后修饰及基于 RNA 的转录后调控。

1. DNA甲基化

位于基因启动子区域 CpG 岛的胞嘧啶 C5 位置的甲基化修饰状态改变是表观遗传机制之一，抑癌基因启动子区发生过甲基化导致的表达下降，原癌基因低甲基化修饰导致的表达上调，都将促进癌症的发生。

在编码基因的三个特定区域出现低甲基化被认为与癌症发生关系密切：启动子区域引起的基因印记缺失（如IGF2, MYC, HRAS）、位于远端调控区的超级增强子（Super-enhancer）或位于基因下游的反义启动子（Antisense promoter），后两者在生理状态下的沉默状态被打破，出现异常增强性表达。

2. 组蛋白修饰

组蛋白存在甲基化、乙酰化、磷酸化、SUMO 等多种翻译后修饰形式，改变了核小体电荷载量与分布，导致了染色质结构致密度和稳定性改变；多个基团引入造成的位阻，使得转录机器难以形成，阻断了关键基因的转录和表达。于此同时，组蛋白修饰是由多种酶（如 HMT/HDM）介导的，酶活性的改变导致了全局的表观遗传状态变化。有报道参与表观遗传调节的酶超过 700 种，按其功能分成 writer, eraser, reader和 mover ；表观遗传领域研究最充分的靶点之一——溴结构域蛋白（Bromodomain protein）就是通过“读取”到乙酰化或甲基化的氨基酸残基后启动基因转录的，针对修饰酶的研究也在不断深入。

3. RNA调控基因修饰的机制

基因组存在大量非编码 RNA（Non-coding RNA, ncRNA），在参与编码基因的表达调控发挥重要作用，主要通过如下几种表观遗传学机制实现：

• 与编码基因启动子或增强子结合；

• 改变染色质编码区开放状态

• 调控核结构

• 改变 mRNA 的稳定性

主要的两种 ncRN ——微小 RNA（miRNA）和长非编码 RNA（lncRNA）通过不同机制参与调节了细胞增殖、分化、（干细胞）自我更新等与肿瘤发生密切相关的蛋白表达：miRNA 通过与目标编码蛋白 mRNA 3’ 非翻译区的结合干预抑癌基因表达（成为 onco-miRNA ）或抑制原癌基因表达（成为 ts-miRNA ），且临床观察到增生组织与癌旁组织内的表达量存在显著区别；lncRNA 被发现存于多种与肿瘤发生密切相关的通路，如 WNT, EGFR, TGF-β 和 p53 等。

表观遗传抗肿瘤药物开发优势与难点

5‑Azacytidine （5-氮杂胞嘧啶核苷，后被称作 Decitabine ）因对成纤维细胞 DNA 甲基化相关的基因表达有明显抑制作用，被认为是第一款基于表观遗传机制的药。截至 2020 年 8 月，全球共 9 款表观遗传调控药物获批上市，现阶段主要在血液瘤中表现突出。开发基于表观遗传机制的药物具有独特优势：

• 靶向介导表观遗传修饰酶类的药物，对于野生型和突变型肿瘤细胞都具备效力，这是抗肿瘤药物最重要的优势之一；

• 在肿瘤出现的早期，特别是当肿瘤突变负荷较小时，具有明显的疗效优势；对于由胚系基因表观遗传异常（如参与 TCA 循环的酶类）导致的肿瘤，表观遗传药物兼顾治疗和预防的双重功效。

与此同时，开发表观遗传药物具有挑战性：表观遗传机制通常造成的是基因功能缺失的表型，因此惯常采用的肿瘤小分子抑制剂的开发策略是不适用的，而有研究提示阻断蛋白-蛋白相互作用（Protein-protein interaction, PPI）是开发表观遗传药物的可行方向。由 Menin/MLL/DOT1L 和 H3K79 甲基转移酶共同形成的蛋白复合物被认为极具药理学价值：基因重排导致 MLL 参与形成的融合蛋白可招募 DOT1L，这一事件可显著改变细胞表观遗传格局；临床使用小分子抑制剂阻断 DOT1L/Menin/MLL 复合物形成，已证实可使患者获益【3】；另一个重要提示性意义的蛋白是 METTL3。

数据源自 Accent™ Therapeutics 公开展示海报

针对 METTL3/14-SAM 复合物形成开发了小分子抑制剂，体外结合实验展现出皮摩级的极强结合亲和力和有效抑制。

表观遗传抗肿瘤药物作用机制

通过对表观遗传机制的调控，还有多种杀伤肿瘤细胞的有效机制值得探讨。

• 促癌性组蛋白修饰

与肿瘤发生相关的组蛋白异常修饰被认为与组蛋白突变关系密切，Oncohistone 一词描述了这种关联。介导组蛋白修饰的酶近年来受到关注，其中研究最充分的是 BET 家族蛋白，参与多种促癌因子（如 MYC）表达的关键调节位点。家族成员 BRD4 被发现广泛参与癌基因过表达相关的蛋白复合物形成，成为近来较热的抗肿瘤小分子药物开发的聚焦靶点，目前已有多款 BET 抑制剂在研【3】。

已有多个不同功能的表观遗传调控酶类（writer, eraser, reader, mover）和基因转录结构域结合蛋白作为小分子药物开发靶点进入研发甚至获批上市阶段，归纳如下图【3】。

• 免疫调控

充分调动自身免疫功能对肿瘤细胞进行识别和持续免疫响应，是肿瘤免疫学的基本理论，表观遗传调控是免疫细胞激活、免疫应答中重要的作用机制之一，两者间的关联同样密切。对肿瘤组织进行表达谱分析显示，使用去甲基化试剂后，抗原呈递相关基因和肿瘤特异性抗原表达均显著上调；DNA 甲基转移酶抑制剂可促进对肿瘤抗原的呈递及其免疫原性，有临床研究支持该结论。

对组蛋白去乙酰化酶的功能抑制（HDACi）可令肿瘤细胞对杀伤 T 细胞更加敏感，此外 HDACi 还可作用于肿瘤抑制基因，对多种类别的肿瘤模型上给予低剂量 DNMTi ，可见激活的内源性逆转录病毒，继而激活由双链 RNA（ddRNA）介导的靶向肿瘤细胞的免疫响应【4】。有临床前研究显示，多种 HDAC 抑制剂都能增强免疫检查点抑制剂（无论 anti-PD1/PDL1 或 anti-CTLA4 ）降低肿瘤负荷的效果，且观察到包括促进白细胞浸润、细胞因子释放和T细胞激活在内的多种肿瘤免疫机制【5】。以上基础研究均为肿瘤免疫联合用药提供新的思路。

• 非组蛋白翻译后修饰

研究发现，组蛋白修饰酶经常靶向位于细胞核和胞浆内的非组蛋白而发挥作用，这也导致了某些病原体具备“组蛋白拟态”的功能，成功逃脱免疫监察的机制而感染宿主【6】。这也激发了运用计算辅助设计组蛋白模拟肽开发新型表观遗传调控药物的灵感。

• 合成致死
  

借用合成致死的概念，筛选获得包含肿瘤特异性突变的蛋白对，成为新型肿瘤治疗靶点的开发思路。临床试验显示，对 BRCA 基因突变患者给予 PARP 抑制剂治疗可令患者获益，是对合成致死机理的证实。

多项筛选实验结果显示，成对的染色质重塑因子共同缺失时，令肿瘤细胞易于走上死亡的命运，其中涉及表观遗传机制关联蛋白对有 SMARCA2-SMARCA4 和 PRMT5-MTAP 。下图描述了 PRMT5 与 MTAP 合成致死的作用机理：多种肿瘤中都出现 MTAP 功能缺失，导致底物积累并与 PRMT5 发生竞争性抑制关系降低了 PRMT5 的活性；此时给予 PRMT5 抑制剂则可充分剥夺 PRMT5 功能造成肿瘤细胞的死亡，而不影响正常细胞【7】。

展示了 PRMT5 与 MTAP 合成致死蛋白对的作用机制。

结语

与基因序列上发生突变之类的“硬改装”不同，染色质表观遗传修饰好比对序列的“软改造”，基因表达调控的可逆性为表观遗传疗法（Epigenetic therapies）的开发提供了基础。基于表观遗传机制的抗肿瘤药物在肿瘤发生早期、突变负荷较小时对野生株、突变株具有治疗效果，且对由胚系基因表观遗传异常导致的肿瘤，兼顾治疗和预防的双重功效都是其独特的优势。

尽管存在药物开发的难点，但以计算辅助设计组蛋白模拟肽、蛋白蛋白结合阻断剂等方法，将为开发基于表观遗传机制的创新抗肿瘤药物提供方法支持。

参考文献

【1】Jung, G. et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol 17, 111–130 (2020).

【2】Allis, C. et. al. Nat Rev Genet 17, 487-500 (2016).

【3】Susan E. B., N Engl J Med; 383:650-53 (2020)

【4】Roulois, D. et al. Cell 162, 961–973 (2015).

【5】 Pappano, W. N. et al. PLoS One 10, e0131716 (2015).

【6】Marazzi, I. et. al. Nature 483, 428-433 (2012)

【7】Huang, A et al., Nat Rev Drug Discov 19, 23–38 (2020).

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