染色体不稳定性如何改写癌细胞命运

染色体是遗传信息的载体,正常情况下人体每个细胞包含23对染色体。然而在癌症等疾病中, 染色体经常出现数量和结构的异常改变, 称为染色体不稳定性（CIN）。过去研究表明, 染色体不稳定性可以驱动癌细胞获得生存和扩散优势, 但其中的确切机制尚不完全清楚。

美国MSKCC的Bakhoum团队在一项最新研究揭示了染色体不稳定性如何改变细胞的表观遗传学, 为癌症的发生和进展提供可塑性。研究发现有丝分裂染色体错配、其在微核中的隔离以及随后微核膜的破裂深刻扰乱了正常的组蛋白翻译后修饰（PTM），这一现象在人类和小鼠以及癌细胞和非转化细胞中都是保守的。一些组蛋白PTM的改变是由于微核膜破裂引起的，而其他改变则是来自微核形成之前的有丝分裂异常。微核在染色质可及性方面存在广泛的差异，而启动子和远端或基因间区域之间存在着强烈的位置偏好，与观察到的组蛋白PTM的重新分布一致。诱导CIN会导致广泛的表观遗传失调，而在微核中转移的染色体在重新整合到原核之后仍然经历可遗传的可及性异常。因此，除了改变基因拷贝数外，CIN还促进了癌症中的表观遗传重编程和异质性。

研究人员从人类非转化乳腺上皮细胞、卵巢癌细胞, 以及人源和小鼠来源的三阴性乳腺癌细胞入手。利用免疫荧光技术, 他们发现在这些癌细胞和非癌细胞中, 经历染色体误分离被困在细胞质中的微核内, 多种组蛋白修饰出现异常改变。

组蛋白是染色质的基本组成单位。不同位置组蛋白上的化学修饰, 例如甲基化和乙酰化, 构成了细胞表观遗传学状态的重要部分, 参与调控基因的打开和关闭。研究显示, 微核内组蛋白H3上的多处乙酰化减少，而甲基化增加; 此外，标记转录抑制的H2AK119泛素化以及标记基因体的H2BK120泛素化也显著降低。这种组蛋白修饰模式的改变高度一致, 无论是在人类还是小鼠, 癌细胞还是非癌细胞中。

图1 微核中的不同组蛋白翻译后修饰

进一步检测发现，当微核发生破裂，染色质暴露于细胞质中时，像H3K9乙酰化这样与破裂相关的组蛋白修饰会进一步减少; 而与破裂无关的修饰，例如H3K9甲基化的增加，则保持不变。这表明微核破裂是导致部分表观遗传学改变的原因之一。

那么其余无关于破裂的组蛋白改变是如何产生的呢? 研究者发现，在有染色体脱落的细胞分裂后期，脱落染色体上H3K9甲基化等标记已经发生改变，这可能来源于细胞无法正常向微核提供维持正常组蛋白修饰的相关酶类。另一方面，像H2BK120泛素化这样只在微核中缺失的标记，也是由染色体分裂期定位造成的——负责该项修饰的酶仅分布在纺锤体极区，与分裂中期板远离的滞后染色体因此无法获得正常的修饰。由此可见，染色体误分离不仅导致了DNA水平的数目和结构异常，也通过微核形成后的破裂和分裂期定位效应，折射出了细胞表观遗传学状态的混乱。

图2 微核破裂和染色体错位改变了微核中的组蛋白翻译后修饰

研究人员进一步检查微核是否导致染色质空间结构和可及性的改变。通过整合免疫荧光、荧光寿命成像技术和ATAC-seq技术等多种手段，他们发现相比主细胞核，微核内的染色质呈现更加紧密的异染质结构，对转座酶的可及性降低。

但令人惊讶的是，进一步定位发现，尽管整体可及性下降，但基因启动子区域的开放性在微核中却增加了。细分基因组位置后分析发现，不管是高表达还是低表达基因，其启动子和第一外显子区域的染色质可及性在微核中均得到提高，而基因体内部的内含子和远端间基因区则出现了可及性降低。这种反常的局部开放模式或许来源于微核中H3K4三甲基化的异常增强，因为该修饰主要标记活跃的启动子区域。

研究还发现，在微核中可及性增强的基因，与细胞黏附和运动相关;而可及性降低的基因，则与染色质和组蛋白修饰相关。这表明染色体被困微核不仅对整体的染色质结构产生影响，还可能重新分配不同功能基因组的转录。

图3 染色质的可及性在微核中被改变

微核作为染色体脱落的中间站，大多数情况下会在随后一个细胞周期被重新融合进主细胞核。为了验证微核导致的表观遗传学缺陷是否可以遗传给子代细胞，研究者在多个系统中进行了探究。

首先，他们在人类非转化视网膜色素上皮细胞中，长期诱导染色体脱落和微核形成。结果发现，即使在诱导停止48小时后，这些细胞仍然存在广泛的染色质结构重编程和基因表达模式改变。过表达支撑微核稳定的蛋白质可以部分回补这些表型。

进一步，研究者通过在人类肠癌细胞中特异性诱导Y染色体错误分离，获得了它重新并入主细胞核后的14个单克隆。尽管不同克隆之间存在差异，但所有克隆均表现出Y染色体上发生了组蛋白标记和染色质可及性的持续性异常改变，而纵向自动染色体未见明显效应。

图4 染色体不稳定性导致染色质可及性的长期改变

最后，研究者通过在另一种细胞系中人为导入额外的5、13、18和21号染色体，使其通过微核中间形成三体，发现导入的三体染色体同样出现了独特的表观遗传学重编程，而其他染色体无明显改变。

图5 微核中的染色体易位促进可遗传的表观修饰异常

综上，微核诱导的染色质结构混乱可以遗传给下一代细胞，驱动全基因组范围内的表观遗传学重编程，并伴有潜在的癌症相关基因表达模式的重整。染色体不稳定性因此不仅改写了癌细胞的基因组，还提供了一个持续改写其表观遗传组的机制，推动癌症的演变。

微核是一个重要的病理中间体，连接了细胞分裂期的染色体脱落以及明显的基因组DNA损伤。但过去对微核的研究更多聚焦于后者，忽视了其复杂的生物学效应。本研究对微核诱导的表观遗传学修饰进行了系统多层次的梳理，揭示了微核在传递染色体不稳定性影响中的关键作用，有望为癌症生物学研究开拓新的视野。

实际上，染色体通过微核这一过渡状态获得新的属性再并入细胞核内，从一定程度上类似于生物体受精卵中母亲和父亲前期基因组的融合。这一发现可以推动我们进一步认识细胞内“ fertilization”过程在疾病发生中的意义。

当然，由于研究主要在体外细胞系中进行，微核传递的表观遗传效应在体内环境下是否成立还有待进一步验证。此外，不同类型正常和肿瘤细胞中这一过程的细节也可能存在差异。但无疑本研究开启了一个崭新视角，为深入理解癌症染色体不稳定性的驱动作用奠定了基础，也为未来基于该机制设计新型治疗提供了可能性。

参考文献

1. Jones, P. A. & Baylin, S. B. The epigenomics of cancer. Cell 128, 683–692 (2007).

2. Bakhoum, S. F. & Cantley, L. C. The multifaceted role of chromosomal instability in cancer and its microenvironment. Cell 174, 1347–1360 (2018).

3. Timp, W. & Feinberg, A. P. Cancer as a dysregulated epigenome allowing cellular growth advantage at the expense of the host. Nat. Rev. Cancer 13, 497–510 (2013).

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原文链接：https:///10.1038/s41586-023-06084-7

文：SHY     排版：PQ

摄影：XQR

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