背景：
人类基因组被组织成多个结构层，从染色体区域到越来越小的亚结构，如拓扑关联结构域(TADs)和染色质环。这些亚结构，统称为长程染色质相互作用(LRIs)，在调节基因表达中具有重要作用。TADs是基因组的区域，这些区域包含经常相互作用的基因组和调控元件，并且与其他区域隔离，从而防止了广泛的不受控制的DNA接触。在TADs内通过增强子和启动子相互作用形成的染色质环具有弹性，允许转录异质性和随机性。在过去的十年中，人们已经发现3D基因组结构，也被称为染色质结构，是许多转录细胞决策的核心。
简介：
2023年8月3日，来自美国美国国立癌症研究所受体生物学和基因表达实验室的Gordon L. Hager教授课题组在Nat Rev Cancer（IF: 78.5）杂志上发表题为“Long-range gene regulation in hormone-dependent cancer”的文章[1]。在这篇文章中，作者深入研究了类固醇受体和长程染色质相互作用(LRIs)之间的复杂关系，讨论了类固醇受体如何与染色质相互作用和调节这些相互作用。参与组织核结构的许多过程中的遗传改变常与激素依赖性癌症的发生相关。更好地理解结构蛋白和激素调节网络之间的相互作用最终可用于开发改进的癌症治疗方法。
主要结果：
激素改变长期相互作用。
类固醇受体（SR）的功能是由雌激素、糖皮质激素、孕激素和雄激素等激素介导的。配体结合核受体通过与邻近或远离靶基因启动子的反应元件结合来调节转录。因此，SRs调节多种细胞过程，包括细胞生长、炎症反应、促凋亡和抗凋亡以及基因组稳定性。
糖皮质激素受体激活重塑3D基因组。
糖皮质激素受体（GR）已被用作研究转录调控机制的系统，并发现GR被糖皮质激素激活后可通过调节长程染色质相互作用(LRIs)来调节基因表达。受GRs调节的相互作用有两种类型:短暂的相互作用和持续的相互作用模式，其中短暂的糖皮质激素治疗足以形成稳定和延长的LRIs。事实上，糖皮质激素治疗诱导形成稳定的亚核区室，其中染色质相互作用以激素依赖性方式得到加强。来自人肺癌A549细胞系的Hi-C数据清楚地表明，糖皮质激素治疗重塑了全基因组范围内的染色质相互作用。有趣的是，在GR激活后，很大一部分基因组从活性的A区转变为抑制的B区，这表明SRs在抑制大的染色质区中起着关键作用。此外，GR还强结合预先建立的染色质相互作用，并且这种相互作用会因受体的激活而增强，这支持了先前提出的模型。
雄激素受体调节染色质环和TADs。
雄激素受体（AR）受雄激素的刺激，在前列腺癌的发生发展过程中起着至关重要的作用。因此，针对前列腺癌中AR功能的几种治疗方法已被开发出来。激素激活的AR可以激活或抑制其结合位点近端或远端靶基因。从染色质免疫沉淀实验和高通量测序得到的雄激素依赖性前列腺癌细胞系LNCaP和VCaP中雄激素受体的结合图谱表明，约90%的雄激素受体结合位点位于远端顺式调节元件上。在雄激素处理的VCaP细胞中，配对末端标签测序的染色质相互作用分析(ChIA-PET)实验揭示了AR的远端结合位点通过LRIs与其靶基因相互作用，约55%的AR结合位点是AR相关染色质相互作用的锚点。此外，大约60%的AR相关的染色质相互作用与近端基因的启动子不相互作用，而是与更远的基因相互作用。
激素介导的长期相互作用影响癌症。
已知激素作为外部生长因子发挥作用，因此是癌症发生、生长和转移潜能的关键调节因子。最常见的激素驱动的癌症是乳腺癌、子宫癌、卵巢癌和前列腺癌。这些癌症大多由SR功能、癌基因和/或肿瘤抑制基因的失调引起，但也由与蛋白质因子(如CTCF、CTCF样(CTCFL，也称为BORIS)和黏连蛋白亚单位(如RAD21和STAG2)结合的结构DNA序列内发生的体细胞突变引起。因此，染色质景观和LRIs的改变是新发现的癌症标志。
激素驱动癌症中TAD破坏的机制。
癌细胞需要调整它们的基因组结构，以提高它们的生存几率。偶尔的基因组重排促进TAD结构的破坏，驱动癌基因的过度表达或肿瘤抑制基因的下调。这种机制被称为增强子劫持，并在几种癌症类型中得到越来越多的认识。迄今为止，增强子劫持在激素驱动的癌症中的机制仍不清楚。在前列腺癌和乳腺癌的进展过程中，常形成新的增强子和超级增强子，促进AR和ER的表达。
激素驱动癌症中的增强子和超级增强子改变。
在MCF-7乳腺癌细胞中，染色体结构蛋白复合物凝缩蛋白I和II共定位于有活性的ERα结合的增强子，从而促进eRNA转录，增强子-启动子环化，以及E2激素刺激后完全增强子的激活。从这些E2激活的MCF-7细胞制备的核提取物的生化实验表明，凝缩蛋白I和II的亚单位与ERα共分馏。在MCF-7细胞中，小干扰RNA (siRNA)介导的凝缩蛋白I和II亚基的缺失导致Pol II占用，eRNA水平和E2诱导的基因表达显著降低。相反，敲低凝缩蛋白亚基后，ERα的ESR1 mRNA和蛋白水平不受影响。凝缩蛋白复合物在调节基因表达期间E2介导的启动子-增强子环化频率方面也有显著作用。最后，凝缩蛋白通过招募辅助因子，如E3泛素连接酶(在ERα阳性乳腺癌患者中高表达的蛋白因子)，特异性地调节eRNA的转录。
相分离和凝集物形成中的核受体。
含有内在无序区域(IDRs)序列的蛋白质倾向于形成凝聚物并能够相分离以驱动基因激活或抑制。例如，转录共激活因子，如中介亚基1 (MED1)和含溴结构域蛋白4 (BRD4)，这两种因子都具有内在的无序区域，可在超级增强子处形成凝聚物来调节基因表达。激活的ER与其他携带激活结构域的转录因子(大多为低复杂度氨基酸序列)一起，也可以与MED1形成凝集物并相分离，从而调节基因表达。为了说明这一点，共聚焦显微镜分析显示，在拥挤剂PEG-8000存在的情况下，全长重组ER蛋白可以形成液滴。此外，在雌激素存在的情况下，ER-MED1异型液滴的形成明显增强。这表明雌激素通过促进ER-MED1凝聚物的形成来刺激ER依赖性基因表达。
涉及3D基因组调控的癌症治疗。
由于癌细胞不断进化的特性，对于激素驱动的癌症，包括手术、放疗、冷冻疗法、激素疗法、化疗、免疫疗法和其他靶向方法在内的治疗方案通常联合应用，以靶向多个通路。然而，随着时间的推移，大多数癌症将对这些治疗产生耐药性，这反映出激素驱动的癌症需要更有效的治疗方法。由于大多数癌症基因组的3D结构发生了改变，TADs是新型治疗的主要靶点。
PROTACs在激素驱动癌症中的治疗潜力。
蛋白水解靶向嵌合体(PROTACs)提供了一种独特的方法来降解特定的蛋白质以达到治疗目的。与阻断蛋白质功能的传统抑制剂不同，PROTACs与所关注的蛋白质结合，并招募细胞机制将其降解。这一机制使PROTACs成为治疗激素驱动癌症的有吸引力的选择。目前正在临床试验中分别针对mCRPC和乳腺癌患者的PROTACs，例如针对AR(如ARV-110和ARV-766)或针对ER(包括ARV-471)的PROTACs。PROTAC降解剂可通过LRIs调控基因表达，导致癌基因表达降低，抑制肿瘤生长。虽然PROTACs可能有脱靶效应，并且随着时间的推移会产生耐药性，但它们仍然是一种有希望的治疗方法。
CRISPR作为一种调节LRIs的治疗方法。
靶向功能障碍的激素受体，降低脱靶效应的风险，确保特异性靶向。此外，基于CRISPR的方法具有长期疗效的潜力，因为它永久性地修饰了靶向受体。总体而言，基于CRISPR的方法为激素难治性癌症提供了一种更具针对性且可能更有效的治疗方案。操纵CTCF等转录调节因子为调节癌基因和肿瘤抑制因子的表达提供了一种有前景的治疗策略。转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)和锌指(ZF)基因编辑工具已被用于在体内强制LRIs和影响基因表达的变化。基因编辑方面的最新进展使LRI调制变得更容易、更高效，基于CRISPR-Cas9的方法(如CLOuD9和dCas9-Zip)被用于通过强制形成环来控制基因表达。
结论和展望：
激素依赖性癌症仍然是世界范围内的主要健康问题。虽然有几种治疗方案可供选择，但肿瘤的早期检测对患者的总生存仍然有价值。癌细胞的表观基因组具有高度的可塑性，可以动态调节癌基因和抑癌基因。几种表观遗传修饰在乳腺癌和前列腺癌的激素难治性状态中发挥重要作用，其中DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷(5-azacytidine)被证明可放大AR拮抗剂比卡鲁胺在前列腺癌治疗中的作用。几十年的基因组学研究已经证明了LRIs在癌症进展过程中是如何改变的。某些癌症类型似乎对核结构蛋白状态的变化更为敏感。
目前用于治疗前列腺癌、乳腺癌、子宫癌和卵巢癌的激素剥夺疗法通常在癌症变得难治性之前的一段时间内有效。这些疗法主要集中于抑制激素受体的LBD。然而，耐药性的产生可能是由于出现了具有SRs的LBD突变的癌症，或者存在缺乏LBD的剪接变异体，使它们能够独立于激素发挥功能。因此，针对LBD以外区域的替代治疗方案(如激素受体NTD中的IDRs)可能更有效地解决肿瘤逃逸机制。AR、ER和PR NTD的IDRs通过相分离驱动LRI凝析油的形成。靶向激素受体IDRs，从而调节其凝析物理化性质的小分子，虽然目前尚未在临床上获得，但在治疗对主流疗法耐药的激素依赖性癌症方面很有希望。进一步阐明激素依赖性癌症中染色质环化的潜在机制无疑将有助于开发更有效的治疗方法。
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37537310/
参考文献：
[1] Tettey TT, Rinaldi L, Hager GL. Long-range gene regulation in hormone-dependent cancer. Nat Rev Cancer. 2023 Aug 3. doi: 10.1038/s41568-023-00603-4. Epub ahead of print. PMID: 37537310.
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