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2021年2月3日，斯坦福大学Or Gozani实验室联合德州大学MD安德森癌症研究中心Pawel Mazur实验室，并在阿卜杜拉国王科技大学Lukasz Jaremko实验室以及澳门大学Ning-Yi Shao实验室的协助下，在 Nature 杂志发表名为 Elevated NSD3 histone methylation activity drives squamous cell lung cancer 的文章。该文主要阐述了组蛋白甲基转移酶NSD3如何通过其酶催化活性促进肺鳞癌(lung squamous cell cancer) 的肿瘤发生，并且为临床治疗肺鳞癌提供了潜在的方向【1】。
染色质片段扩增是肿瘤细胞中常见的一种遗传改变 (genetic alteration)，对肿瘤发生起到了关键作用。8号染色体p11-12片段的扩增 (8p11AMP) 是肿瘤中最为常见的遗传改变之一，尤其在肺鳞癌中高频发生【2】。FGFR1基因是8p11AMP片段中一个主要的高频率扩增基因, 由于FGFR家族基因在多种类型的肿瘤中被证实为肿瘤发生的驱动基因 (oncogenic driver)，人们便认为FGFR1是能够促进肺鳞癌的肿瘤发生，然而多个使用FGFR1抑制剂治疗肺鳞癌的临床实验均以失败告终【3】。该研究工作发现并不是FGFR1基因，而是位于8p11AMP片段里与之相邻的NSD3基因，才是肺鳞癌肿瘤发生的主要驱动基因。NSD3是一个组蛋白甲基转移酶，特异性地介导组蛋白H3第36位赖氨酸的一二甲基化修饰 (H3K36me1/2) 【4】。该研究工作发现除了NSD3基因扩增 (来源于8p1AMP) 外，肺鳞癌中还存在着NSD3酶催化活性增强突变体(NSD3T1232A) ，并且证实了NSD3的组蛋白甲基转移酶活性促进肺鳞癌的肿瘤发生。
肺腺癌和肺鳞癌是非小细胞肺癌的两种主要亚型。肺鳞癌大概占到所有非小细胞肺癌的25-30%，每年在全世界范围内大概导致40万病人死亡，其5年生存率低于20%【5】。得益于大量的科学研究，目前临床上针对肺腺癌的靶向治疗手段收获了相当好的效果，然而这些靶向治疗手段对肺鳞癌不起作用，因为肺鳞癌中不存在这些靶向治疗手段所依赖的特定遗传改变【6】。目前临床上还没有任何行之有效的针对肺鳞癌的治疗手段，因此理解清楚哪些遗传改变导致或者促进肺鳞癌的肿瘤发生将会极大地帮助我们开发出针对肺鳞癌的靶向治疗手段。基于先前的研究，该研究工作首先建立了一个高效诱导肺鳞癌形成的小鼠实验模型 (PSC背景) ，并且发现敲除NSD3能够显著减小模型小鼠体内的肿瘤体积并延长模型小鼠的生存周期，而敲除FGFR1则没有任何效果。
由于NSD3是一个组蛋白甲基转移酶，特异性地介导组蛋白H3第36位赖氨酸的一二甲基化修饰(H3K36me1/2)，该研究工作进一步探讨了其酶催化活性在肺鳞癌肿瘤发生过程的作用。利用体外甲基转移酶反应，该研究工作分析了TCGA数据库 (The Cancer Genome Atlas database) 中的所有可能影响NSD3酶催化活性的突变体，发现NSD3T1232A能显著增强NSD3介导H3K36me2的能力。基于高分辨率的核磁共振技术，该研究工作发现T1232A突变可以显著改变NSD3催化结构域的动态性，增强了酶与底物间的turn over速率，从而起到增加酶催化活性的作用。表达NSD3T1232A的转基因小鼠 (PSCN) 可以显著增加模型小鼠体内的肿瘤体积并缩短模型小鼠的生存周期。
为了阐述NSD3-H3K36me2促进肺鳞癌肿瘤发生的工作机理，该研究工作以模型小鼠来源的肿瘤细胞为材料，通过转录组测序发现NSD3-H3K36me2主要上调原癌性转录因子Myc的靶基因以及重要的促进肿瘤发生的PI3K-Akt-mTOR通路。利用CUT&RUN测序技术【7】，该研究工作发现NSD3-H3K36me2显著上调靶基因或靶通路 (dDEG)上的H3K36me2修饰水平，并且随之下调H3K27me3修饰水平，以达到上调转录水平的目的，从而促进肺鳞癌的肿瘤发生。
在理解清楚了小鼠模型中NSD3-H3K36me2如何促进肺鳞癌的肿瘤发生后，该研究工作进一步探讨了NSD3在人肺鳞癌中的作用，以期为临床上开发针对肺鳞癌的治疗手段提供帮助。该研究工作收集了大部分可获得的人肺鳞癌细胞系，敲除NSD3可以显著减小含有NSD3基因扩增或非基因扩增引起的NSD3高表达的细胞系在小鼠异种移植中的肿瘤体积。通过对TCGA数据库的进一步分析，该研究发现NSD3高表达的频率达到60%，远高于NSD3基因扩增的20%，因此可以推断大约60%的肺鳞癌肿瘤发生都依赖于NSD3。
在转录因子SOX2的存在下【8】，野生型NSD3以及活性增强突变体NSD3T1232A均能引起人支气管上皮细胞(AALE)的原癌转化 (oncogenic transformation)，而活性丢失的突变体则不能引起转化。非常难得的一点是，该研究工作从德州大学安德森癌症研究中心和美国国立癌症研究所搜集到了37例人肺鳞癌异种移植系 (PDX, Patient-derived xenograft) ，发现其中一例含有活性增强突变体NSD3T1232A，另有12例含有NSD3基因扩增。敲除NSD3可以显著减弱含有NSD3T1232A或NSD3基因扩增的PDX系的肿瘤形成能力，但不影响不含NSD3改变的PDX系的肿瘤形成能力。
由于目前还没有针对NSD3催化活性的抑制剂，因此为了给临床上治疗肺鳞癌提供参考，该研究工作进行了化合物筛选，发现BET结构域抑制剂 (BETi) 能够显著抑制依赖于NSD3的肺鳞癌细胞系或者人肺鳞癌异种移植系的肿瘤形成， 这与BRD4和NSD3在肺鳞癌细胞中有直接相互作用相吻合。因此，原本由于毒副作用太大而不能广泛用于临床治疗的BET结构域抑制剂则有可能被用到肺鳞癌的治疗中【9】，给临床上难以治疗的肺鳞癌带来了曙光。
综合起来，该研究工作利用体外生化实验、核磁共振结构解析、高通量测序、小鼠肿瘤模型和病人来源的肿瘤样本以及化合物筛选，完整得系统地阐述了NSD3如何促进肺鳞癌肿瘤发生的工作机理，并为临床治疗肺鳞癌提供了潜在的方向。据悉，该研究工作在投稿时，受到了评审们的一致高度评价，认为该工作对于肿瘤生物学领域具有相当重要的意义。
Or Gozani实验室的袁刚博士与Pawel Mazur实验室的Natasha Flores博士为该研究工作的共同第一作者，Or Gozani博士，Pawel Mazur博士，Lukasz Jaremko博士以及Ning-Yi Shao博士为该研究工作的共同通讯作者。
另外，Or Gozani实验室还与北京师范大学王占新实验室以及纪念斯隆凯特琳研究所的Dinshaw Patel实验室合作解析了NSD3与核小体底物的高分辨率冷冻电镜结构（Nature | NSD家族蛋白催化核小体H3K36位点甲基化修饰的分子机理）【10】，并且发现NSD3的酶催化活性促进头颈部鳞癌 (head and neck squamous cell cancer) 的肿瘤发生，该工作对于设计NSD3抑制剂具有极其重要的价值，也为临床治疗依赖于NSD3的恶性肿瘤提供了理论基础。Or Gozani实验室的袁刚博士也是该研究工作的共同第一作者。
在Nature同期，冷泉港实验室的Martyna W. Sroka & Christopher R. Vakoc发表了News & Views文章An epigenetic fulcrum tipped in cancer，对上述两篇Nature文章进行了点评。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-03170-y
制版人：Kira
参考文献
[1] Yuan, G. et al. Elevated NSD3 histone methylation activity drives squamous cell lung cancer. Nature. (2021).
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[4] Husmann, D. et al. Histone lysine methyltransferases in biology and disease. Nat. Struct. Mol. Biol. 26, 880–889 (2019).
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[6] Chan, B. et al. Targeted therapy for non-small cell lung cancer: current standards and the promise of the future. Transl Lung Cancer Res. 4(1): 36–54 (2015).
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[9] Cochran, A. G. et al. Bromodomains: a new target class for drug development. Nat. Rev. Drug Discov. 18, 609–628 (2019).
[10] Li, W. et al. Molecular basis of nucleosomal H3K36 methylation by NSD methyltransferases. Nature. doi: 10.1038/s41586-020-03069-8. (2020).
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