基因也会“同流合污”？科研人员发现癌症生长中的“基因合作”

在中国，乳腺癌发病率在女性专有癌症中高居首位！

合作通常是一件好事，通过共同努力达到一个目标。但对于癌症来说，这可能是极其有害的。

近日，来自辛辛那提大学的Xiaoting Zhang课题组在Cell Reports杂志上发表了题为Functional cooperation between co-amplified genes promotes aggressive phenotypes of HER2-positive breast cancer的文章。他们发现在一种特别具有侵袭性的乳腺癌中，两个关键基因之间的合作共同驱动了癌症的生长、扩散和治疗耐药性。

DOI: 10.1016/j.celrep.2021.108822

乳腺癌（Breast cancer, BC）是世界上发病率第二位的癌症，仅次于肺癌。在中国，其发病率在女性专有癌症中高居第一位¹。

根据分子表达谱不同，乳腺癌可以分为雌激素受体阳性(estrogen receptor-positive, ER+) luminal A, ER+ luminal B, 人类表皮生长因子受体2阳性(human epidermal growth factor receptor 2-positive,HER2+) 以及三阴性乳腺癌(triple negative)。其中一种HER2+（即出现HER2基因扩增）的约占所有人类乳腺癌病例的20%-30%，虽然有一些针对它的治疗方法（服用拉帕替尼lapatinib等），但患者经常会出现副作用和耐药性，导致复发。

有趣的是，位于HER2同一染色体区域的大约有十几个基因也同时会出现基因扩增导致基因表达升高，其中一个叫MED1。目前尚不清楚这些基因是否只是“乘客”基因('passenger' genes)，还是在HER2驱动的肿瘤发生或治疗耐药性中发挥关键作用。

为了研究这个问题，该团队构建了一个乳腺特异性过表达MED1小鼠（MMTV-MED1转基因小鼠），并将其与MMTV-HER2小鼠杂交，以此来观察MED1对于HER2介导的乳腺癌形成的影响。结果显示MED1过表达显著促进HER2肿瘤的发生时间、肿瘤体重和肿瘤体积，Ki67染色显示MED1过表达可以加速肿瘤的增殖。

Overexpression of MED1 greatly enhances MMTV-HER2 mammary tumorigenesis

作者进一步发现MED1过表达可以增强MMTV-HER2肿瘤向肺脏的迁移能力，同时与上皮间质转化(EMT)和降解细胞外基质(ECM)的基因在MED1过表达后都有着明显的增加。

MED1 enhances MMTV-HER2 tumor cell migration, invasion, and EMT

肿瘤干细胞(cancer stem cells, CSCs)被认为可以驱动肿瘤的发生和转移。作者通过流式细胞技术发现Lin-CD24+CD29+的肿瘤干细胞在过表达MED1后数目明显增加。体外Mammosphere 实验显示过表达MED1后数目和体积均有所增长。移植成瘤实验显示MED1过表达后肿瘤生长明显加快。表明MED1过表达促进MMTV-HER2 CSCs形成。

MED1 overexpression promotes MMTV-HER2 CSC formation

那是否影响HER2肿瘤的耐药性呢?

接下来作者在体内发现拉帕替尼可以抑制原位移植MMTV-HER2肿瘤的生长。有趣的是，尽管拉帕替尼可以抑制MMTV-HER2/MMTV-MED1肿瘤的生长，但拉帕替尼治疗的MMTV-HER2/MMTV-MED1肿瘤的生长速度仍与对照MMTV-HER2肿瘤几乎一样快。因此，在肿瘤收集时MMTV-HER2/MMTV-MED1组的肿瘤大小与MMTV-HER2对照组相似，明显大于拉帕替尼处理的MMTV-HER2组。上述结果表明MED1在MMTV-HER2肿瘤细胞对拉帕替尼治疗的应答中发挥关键作用。

MED1 overexpression affects the response of HER2-positive tumors to lapatinib treatment

为了鉴定HER2/MED1的下游发挥功能基因，作者进行了RNA-seq, ChIP-PCR等实验，发现Jab1可能是其中一个重要的下游靶基因。获得性(Gain of function)和缺失性(Loss of function)实验证实Jab1在细胞迁移、侵袭、CSCs形成过程中都发挥类似于MED1的功能。

作为调控蛋白降解复合物CSN(COP9 signalosome complex)的一员，Jab1也可以作为MED1的上游：一方面降低MED1的蛋白稳定性（Jab1敲低可以使MED1蛋白更稳定），另一方面也可以影响MED1在下游靶基因如TFF1的启动子区的招募（Jab1敲低，MED1招募被阻碍），但是两个过程的具体分子机制在文中并没有做太多解释，有待于在未来做进一步研究。最后作者在临床样本中发现MED1与Jab1的表达有着正相关，尤其是HER2+的样本中。

Interplay between MED1 and Jab1 regulates target gene expression in HER2-positive breast cancer

综上，笔者认为该研究是一篇非常经典的肿瘤学研究文章，利用动物模型发现并支持了共扩增基因（如MED1）在HER2+乳腺肿瘤发生中的功能合作，以及单独靶向MED1或与目前的治疗方法相结合作为治疗HER2+乳腺癌的潜在策略的应用。

MED1基因：MED1是转录中介体复合物(Mediator complex)的其中一个亚基，而Mediator作为一个主要的辅因子(master co-factor)在转录过程中起着桥梁的作用，一方面与结合在增强子(enhancer)的转录因子(transcriptional factors, TFs)相互作用，同时与结合在启动子(promoter)的RNA聚合酶II(RNA Pol II)相互作用，从而促进下游靶基因的转录。

Mediator几乎参与所有信号通路的响应和传递，所以在本文中提出MED1作为HER2的一个“增强信号”也很容易理解。转录领域大牛Richard A. Young最早提出超级增强子(Super enhancers, SEs)概念，通常就是用MED1的ChIP-seq信号强度作为一个指标来定义SEs。

在最近非常火热的相分离领域，MED1也被报道可以与转录因子、辅因子Brd4以及RNA Pol II发生相分离，参与基因表达调控，是转录调控研究中的明星分子。上文提及的Richard A. Young，以及洛克菲勒大学的Robert G. Roeder，国内复旦大学的王纲教授等学者在Mediator领域都取得了非凡的研究成绩。

参考文献

1.Chen, W. et al. Cancer statistics in China, 2015. CA: a cancer journal for clinicians 66, 115-132, doi:10.3322/caac.21338 (2016).

2.Andre, K. M., Sipos, E. H. & Soutourina, J. Mediator Roles Going Beyond Transcription. Trends Genet 37, 224-234, doi:10.1016/j.tig.2020.08.015 (2021).

3.Malik, S. & Roeder, R. G. The metazoan Mediator co-activator complex as an integrative hub for transcriptional regulation. Nature reviews. Genetics 11, 761-772, doi:10.1038/nrg2901 (2010).

4.Whyte, W. A. et al. Master Transcription Factors and Mediator Establish Super-Enhancers at Key Cell Identity Genes. Cell 153, 307-319, doi:10.1016/j.cell.2013.03.035 (2013).

5.Loven, J. et al. Selective inhibition of tumor oncogenes by disruption of super-enhancers. Cell 153, 320-334, doi:10.1016/j.cell.2013.03.036 (2013).

6.Sabari, B. R. et al. Coactivator condensation at super-enhancers links phase separation and gene control. Science 361, doi:10.1126/science.aar3958 (2018).

7.Boija, A. et al. Transcription Factors Activate Genes through the Phase-Separation Capacity of Their Activation Domains. Cell 175, 1842-1855 e1816, doi:10.1016/j.cell.2018.10.042 (2018).