Adv Sci丨NKX2-5/LHX1 和 UHRF1 建立正反馈调控环路导致表观遗传失调驱动食管癌发生

DNA甲基化作为基因表达“开关”，通过启动子调控基因表达的机制已被广泛研究。而基因体区域的DNA高甲基化与致癌基因的激活密切相关。这种复杂的调控机制可能导致抑癌基因和致癌基因表达失调，从而促进肿瘤的发生与发展【1】。

在人类基因组中广泛分布着大量保守的低甲基化区域（Under-methylated Regions, UMRs），其平均甲基化水平通常不超过10%，并富集有启动子、增强子等关键的转录调控元件。研究表明，UMRs 在胚胎发育及物种特异性表型的形成过程中发挥重要作用。然而，在多种癌症类型中，这些 UMRs 常表现出甲基化水平异常升高，提示其在肿瘤发生和进展中具有重要的功能意义【2,3】。尽管如此，UMRs 如何通过调控基因表达参与肿瘤发生的复杂机制，仍有待深入阐明。

近日，中国医学科学院肿瘤医院的刘芝华/陈洪岩团队和温州医科大学的苏建忠团队在AdvancedScience上发表了题为NKX2-5/LHX1 and UHRF1 establishing a positive feedback regulatory circuitry drives esophageal squamous cell carcinoma through epigenetic dysregulation的文章，揭示了基因体UMRs区高甲基化激活Homeobox基因，从而驱动食管上皮恶性转化的分子机制。研究发现NKX2-5/LHX1与UHRF1之间形成一个正反馈调控环路持续激活这三个基因表达，进而促进食管癌细胞的生长；而联合抑制UHRF1和DNA甲基转移酶可有效抑制食管癌细胞的生长。这一研究不仅为理解食管癌发病机制提供了新视角，也为靶向表观遗传调控轴的联合治疗策略提供了理论基础。

研究人员通过整合分析配对食管癌组织的全基因组、转录组及全基因组甲基化数据发现，Homeobox基因是食管癌组织中表达上调最显著的基因集，其中85个Homeobox家族基因在食管癌中表达上调（aHBG, activated Homeobox gene），82个Homeobox家族基因表达下调或未发生改变（uHBG, unactivated Homeobox gene）；且aHBG基因体低甲基化区域的高甲基化与其表达上调显著正相关。与uHBG相比，aHBG在食管组织发育过程中表达水平较低，尤其在发育末期降至最低，提示aHBG在成熟食管组织中处于沉默状态，aHBG异常激活可能与食管癌发生密切相关。接下来，体内外功能筛选发现：aHBG中的NKX2-5和LHX1可显著促进正常食管上皮细胞的恶性转化能力，表明这两个基因是驱动食管癌恶性增殖的重要基因。

为解析NKX2-5和LHX1促进食管上皮细胞恶性转化的机制，研究人员结合食管癌组织的NKX2-5和LHX1 ChIP-Seq和转录组数据，发现NKX2-5和LHX1可在全基因组水平上协同作用，共同结合并调控基因表达。经过筛选鉴定到UHRF1为NKX2-5和LHX1共同调控的下游功能分子。为探究基因体UMRs区甲基化水平升高与NKX2-5 和 LHX1基因表达的关系，通过甲基化编辑系统提高NKX2-5 和 LHX1基因 UMRs 区甲基化水平。结果显示，甲基化水平升高后，这两个基因的表达被上调，食管癌细胞的增殖能力也随之增强。UHRF1在DNA甲基化水平的建立和维持中具有重要作用【4】。为明确其在基因体UMRs区甲基化调节中的作用，研究人员在食管癌细胞中敲降UHRF1表达，并进行全基因组甲基化测序。结果发现，敲降UHRF1表达后，aHBG基因体区域，尤其NKX2-5 和 LHX1的UMRs区甲基化水平显著降低。进一步研究表明，UHRF1能够将DNMT1和DNMT3A 募集至NKX2-5 和 LHX1的UMRs区，从而促进这两个基因的表达。

以上结果表明，UHRF1 在 NKX2-5/LHX1、DNA甲基转移酶及其各自对应的 UMRs 之间发挥核心作用，增强了 NKX2-5 和 LHX1 的转录活性，形成了由三个分子构成的正向转录反馈环路。值得注意的是，该 NKX2-5/LHX1/UHRF1 调控轴活性对食管癌患者预后具有显著区分作用，此调控轴活性高的食管癌患者预后较差。并且，该调控轴具有成为治疗靶点的潜力，联合靶向 UHRF1 与 DNA 甲基转移酶可协同抑制 NKX2-5/LHX1 的表达，从而有效抑制食管癌细胞的生长。

综上，该研究不仅揭示了一个关键的调控环路，将DNA甲基化调控因子 UHRF1 与Homeobox家族转录因子通过特异性的UMRs 连接起来，也为食管癌的表观遗传治疗策略的发展提供了重要理论依据。

中国医学科学院肿瘤医院陈洪岩研究员、刘芝华研究员和温州医科大学苏建忠研究员为共同通讯作者，中国医学科学院肿瘤医院博士后李旭坤、李勇教授和温州医科大学博士樊丹丹为共同第一作者。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202413508

制版人：十一

参考文献

1.Su, J., Huang, Y.H., Cui, X., Wang, X., Zhang, X., Lei, Y., Xu, J., Lin, X., Chen, K., Lv, J. et al. (2018) Homeobox oncogene activation by pan-cancer DNA hypermethylation.Genome Biol, 19, 108.

2.Jeong, M., Sun, D., Luo, M., Huang, Y., Challen, G.A., Rodriguez, B., Zhang, X., Chavez, L., Wang, H., Hannah, R. et al. (2014) Large conserved domains of low DNA methylation maintained by Dnmt3a.Nat Genet, 46, 17-23.

3.Xie, W., Schultz, M.D., Lister, R., Hou, Z., Rajagopal, N., Ray, P., Whitaker, J.W., Tian, S., Hawkins, R.D., Leung, D. et al. (2013) Epigenomic analysis of multilineage differentiation of human embryonic stem cells.Cell, 153, 1134-1148.

4.Yamaguchi, K., Chen, X., Rodgers, B., Miura, F., Bashtrykov, P., Bonhomme, F., Salinas-Luypaert, C., Haxholli, D., Gutekunst, N., Aygenli, B.O. et al. (2024) Non-canonical functions of UHRF1 maintain DNA methylation homeostasis in cancer cells.Nat Commun, 15, 2960.

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