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组蛋白H3.3 G34R/V突变在神经胶质瘤中的研究进展

作者:脑胶质瘤 来源:www.naojiaozhiliu.com发布时间:2018-10-06 17:18

自从2012年Nature上首次发表了胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)中组蛋白H3基因的突变情况,该研究通过基因测序分析发现在小儿GBM 中基因H3F3A 的频发突变,占所检测肿瘤样本的44%(21/48),认为该突变与组蛋白H3尾部在转录后修饰调节中27位赖氨酸被甲硫氨酸替换(K27M)和34位甘氨酸突变为精氨酸或缬氨酸(G34R/V)有关。由于H3K27M突变在弥漫性中线胶质瘤的独特性表达,2016年WHO中枢神经系统肿瘤分类中将其单独分为一个新的类型。目前H3K27M突变在胶质瘤领域是研究热点之一,与此同时对H3G34R/V突变的研究也越来越多。现对H3.3 G34R/V突变在胶质瘤致病及诊疗中的作用研究进展综述如下。

 

1. 组蛋白及其变体H3.3

 

组蛋白作为真核细胞染色体基本组分除了维持染色体高度浓缩的有序结构外,还作为活性成分参与DNA复制、转录、重组和修复等生物学过程的精细调节,包括翻译后修饰如组蛋白乙酰化、甲基化等,而每种组蛋白亚基变体(variant)的存在增加了调节方式的多样性。组蛋白有5种亚基,分别为H1、H2A、H2B、H3和H4,后面4种亚基各提供两分子形成八聚体,然后与DNA形成核小体结构,H1主要发挥连接作用。其中人组蛋白H3主要有5种变体,分别为H3.1、H3.2、H3.3、着丝粒蛋白-A(centromere protein A,CENP-A)和睾丸特异性组蛋白H3t等。人组蛋白H3.3 变体包含H3F3A 和H3F3B 两个编码基因,分别定位于1q42.12和17q25.1,虽然两个基因转录的mRNA序列不同,但翻译后成熟蛋白质序列完全一致,并且与H3.1和H3.2在序列上也仅有5个和4个氨基酸残基差异(3种变体均由135个氨基酸残基组成)。H3F3A和H3F3B组成性表达于细胞周期任何阶段,在活性基因启动子区、增强子区和内部调节区等取代H3.1/H3.2,通过表观调节影响基因的表达,主要参与细胞增殖、分化、减数分裂等多个生物学过程。此外,H3.3还可富含在异染色质重复区如端粒和着丝粒等,可能对基因组稳定性发挥重要影响。

 

2. H3.3 G34突变肿瘤的临床病理特征

 

Schwartzentruber等首次报道48例H3F3A突变的小儿胶质母细胞瘤中G34R/V突变率和K27M突变率分别为13%和19%。Yoshimoto等报道了日本胶质瘤患者G34R的突变频率低于K27M突变,小儿和青少年(年龄小于20岁)的胶质瘤患者中G34R突变率为4.3%,K27M的突变率为14.5%。G34V突变相对少见,目前报道仅5例患者和1个细胞系中被发现。德国一项研究分析77例患者年龄在30岁以下的GBM病例,G34R/V突变率和K27M突变率分别为16%和32%。以上研究结果提示G34R/V突变可能在日本的发生频率比西方国家的频率低。

 

Sturm等研究证明伴有G34R/V突变的患者平均年龄比K27M突变患者的平均年龄稍高;伴有G34R/V突变的患者中位年龄为18(9~42)岁,伴有K27M突变的患者中位年龄为10.5(5~23)岁。但Yoshimoto等研究显示这两类患者的发病年龄相似(中位年龄分别为10岁和15岁)。有研究发现G34R突变型肿瘤不仅位于大脑半球,而且位于基底节区和远离丘脑的脑组织深部区域。尽管组织病理学为高级别肿瘤,但某些G34R突变肿瘤在影像上显示出弱或无对比增强。此外,有1例肿瘤广泛浸润3个以上的脑叶,包括深灰质结构,如基底叶和丘脑,这与大脑胶质瘤病(gliomatosis cerebri,GC)生长模式一致。

 

Broniscer等从32例大脑胶质瘤病的病例中发现4例伴有G34突变;但未在本组病例发现K27M突变。根据WHO 2016版分类大脑胶质瘤病目前被认为是GBM的一种,其生长方式及分子生物学改变也参考GBM,但结合上述研究G34R/V突变可能是某些大脑胶质瘤病所特有的分子生物学特征,其具体机制有待进一步阐明。组蛋白H3 K27突变的高级别胶质瘤在形态学上相对一致,而H3 G34突变的肿瘤组织学上具有明显异质性,镜下可以是经典的胶质母细胞瘤,也可以是更原始、更幼稚的中枢神经系统原始神经外胚层肿瘤(central nervous system primitive neuroectodermal tumours,CNS-PNET)。

 

研究表明,从DNA甲基化模式和基因拷贝数异常(copy number aberrations,CNAs)检测结果来看,组织学上无论是“GBM样”还是“PNET样”的G34突变肿瘤其检测结果均相同,提示其可能有相同的细胞起源和相似的生物学基础。CNS-PNET 现被称为GBM 伴有原始神经元成分(WHO 2016版),而有研究报道证实CNS-PNET是一组分子表型各异的肿瘤,因此G34R/V突变肿瘤应该作为GBM伴有原始神经元成分的一个新的亚组而被认识。此外有研究发现G34R/V突变在星形母细胞瘤的发病机制中也起着一定的作用。

 

星形母细胞瘤是一种少见类型肿瘤,其形态学特点是GFAP阳性的肿瘤细胞放射状排列于中心血管周围(星形母细胞菊形团)。而星形母细胞瘤的分子遗传学特征尚未被明确认识,目前仅少数研究发现星形母细胞瘤中缺乏IDH 1/2 和TP 53 突变,而存在BRAFV600E突变以及高频MN1改变,均提示星形母细胞瘤从分子遗传学方面区别于其他传统成人的星形细胞肿瘤的亚型。综上所述,伴有G34突变组织学各异的CNS肿瘤可能属于单一的生物学类型,类比WHO分类2016版也可以将之称为伴有H3.3 G34突变的高级别胶质瘤(high- grade gliomas with H3.3 G34 mutation,HGGG34)。

 

3. H3.3 G34突变及分子遗传学特点

 

根据报道在HGG-G34中几乎100%发生TP 53突变和ATRX缺失,而ATRX表达缺失表明不仅是K27M突变,G34R/V突变也与替代性端粒延长相关。Korshunov等研究也证实了这些分子事件在致病基因中的重要作用。G34本身不受翻译后修饰,但位于赖氨酸36(K36)附近,其甲基化状态与转录延伸有关。有研究显示在G34突变细胞中H3K36me3的差异性结合是一项非常重要的分子生物学事件并且MYCN(Nmyc)的表达量也明显增加。

 

在G34突变的肿瘤中少突胶质细胞转录因子1/2(oligodendrocyte transcrip⁃tion factor 1/2,OLIG1/2)的基因座处于高甲基化状态,所以OLIG1/2的表达量较低。这种模式类似模拟胚胎干细胞,在胚胎干细胞中从表观遗传学上讲使OLIG1/2 失活是阻止细胞向神经元分化的机制。尽管某些基因座处于高甲基化状态,但是伴有G34突变的GBM 整个基因组均处于广泛的低甲基化状态(特别是在亚端粒区域)。

 

此外,G34突变体的mRNA似乎表现为中枢神经系统早期发育阶段的表达模式,提示肿瘤的细胞起源和起始周期。因此,“启动/驱动”G34突变会影响分化不良的神经上皮胚胎细胞/祖细胞,这些胚胎细胞或祖细胞通常会分化成胶质细胞或神经细胞,这也就解释了HGG-G34的形态多样性。这个特定的表达模式也有可能是H3G34突变本身所特有的重组结果。细胞遗传学方面,3q和(或)4q缺失发生在2/3的G34突变样本中,HGG-G34中高频的3q/4q缺失意味着其在肿瘤的发生中起着重要的作用,可能是某些抑癌基因定位于这些缺失区域。

 

总之,染色体异常影响了约90%上述肿瘤,与其他GBM分子亚型相比HGG-G34具有一些高度特异的基因拷贝数异常(CNAs),组织学表现为GBM的肿瘤常有血小板衍生生长因子受体A(platelet-derived growth factor receptor-a,PDGFRA)基因/细胞周期蛋白依赖性激酶6(Cyclin dependent kinases 6,CDK6)基因扩增,而组织学表现为PNET的肿瘤CCND 2基因(其编码细胞周期蛋白D2,Cyclin-D2)扩增更为常见。但这也非绝对,Gessi等报道了在G34突变的CNS-PNET中发生PDGFRA扩增,HGG-G34形态学上的异质性可能是由于高水平的CNAs所导致的,而其他分子亚型的GBM 只有低频率(<20%)的CNAs,CNS-PNET 发生CNAs同样低频。在今后的研究中,对这些热点CNAs的研究可能揭示其发病机制。

 

关于组蛋白甲基化,既往研究显示K27M突变的肿瘤中会出现H3K27me3表达异常,而在G34R突变的肿瘤中未发现。但近期研究发现H3K27me3表达异常也可以出现在某些G34R突变肿瘤中,并在1例G34R突变肿瘤中表现为H3K9me3表达减少。虽然H3K27me3和H3K9me3经常被抑制,但在G34 突变的肿瘤中H3K27me3和H3K9me3的低表达会影响其他基因的表达。此外,G34R/V突变会影响基因表达活化因子H3K36的甲基化。因此,这些结果提示组蛋白甲基化在G34R/V突变肿瘤中是常见现象,预测G34R/V突变可能是胶质瘤发生的相关机制之一。

 

4. H3.3 G34突变肿瘤的治疗和预后

 

大多数研究报道G34R/V突变的患者预后优于K27M突变患者。G34突变肿瘤患者的中位生存期为22个月,略优于其他GBM分子亚型(不包括IDH1-突变肿瘤),这可能是因为MGMT基因启动子甲基化的频率高,增强了肿瘤对替莫唑胺的敏感性,也可能增强了其他用于治疗PNET的烷化剂敏感性。CNS肿瘤GBM/PNET在临床和生物学上的特征均不尽相同,并且治疗策略也不同,GBM样或PNET样表型的G34突变型肿瘤患者原则上也应按照不同的治疗方案进行治疗,但治疗的结果却无明显不同。形态学表现为CNS-PNET的G34突变型肿瘤,较少发生脑脊髓播散,这就对传统意义上的PNET治疗方案(包括全脑全脊髓照射和高毒性的多药化疗)的合理性提出了挑战。对现有治疗方法的评估将是未来临床研究的重点,特别应该根据特定的分子表型选择合适的最佳治疗方案从而避免过度治疗。

 

5. 结语

 

组蛋白变体H3.3 G34R/V 突变同H3K27M 突变一样也是存在于某些特定胶质瘤中的特异性分子生物学事件,但G34R/V突变的肿瘤基因型和形态学表型之间的关系更为复杂。检测H3.3 G34突变,也应推荐作为组织学特征各异的幕上CNS肿瘤的常规诊断标记。可以预期的是,未来的研究能够阐明H3F3A G34R/V突变所导致的遗传学和表观遗传学的影响,从而开发出针对此突变的靶向治疗。

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