HDAC1 と HDAC6 は IDH1 変異型神経膠腫の増殖を促進するために不可欠です

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12433 (2023) この記事を引用

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低悪性度および続発性高悪性度神経膠腫には、IDH1 または IDH2 代謝酵素に変異が含まれることが多く、これらの変異は、DNA 構造を調節するクロマチン調節酵素の多くを阻害することによって腫瘍形成を促進すると仮説が立てられています。ヒストンデアセチラーゼ阻害剤は有望な抗がん剤であり、すでに臨床試験で使用されています。しかし、そのメカニズムや遺伝子標的については明確な理解が不足しています。この研究で著者らは、どの HDAC 酵素が IDH1 変異型神経膠腫の増殖を促進するかを決定するために、患者由来の IDH1 変異型培養物を遺伝学的に分析しました。患者由来の神経膠腫球細胞株のパネル（2つのIDH1変異株、3つのIDH1野生型株）を、異なるエピジェネティッククラスからのエピジェネティック修飾薬物の薬物スクリーニングに供した。遺伝子発現およびクロマチン構造に対する LBH (パノビノスタット) の影響を、患者由来の IDH1 変異株で試験しました。高度に発現された HDAC 酵素のそれぞれの役割は、レンチウイルス RNA 干渉ノックダウンベクターと患者由来の IDH1 変異体神経膠芽腫の in vitro モデル (HK252) を使用して分子的に分析されました。これらの結果は、in vivo 異種移植モデル (BT-142) で確認されました。 IDH1 変異は、2 つの異なる IDH1 変異過剰発現モデルにおいて、遺伝子ダウンレギュレーション、DNA 過剰メチル化、DNA アクセシビリティの増加、および H3K27 の低アセチル化を引き起こします。薬物スクリーニングにより、IDH1 変異型神経膠腫株の増殖を阻害する最も選択的な化合物として、ヒストン脱アセチラーゼ阻害剤 (HDACi) およびパノビノスタット (LBH) がより具体的に特定されました。注釈付きの 11 個の HDAC 酵素 (HDAC1 ～ 11) のうち、IDH1 変異型神経膠腫組織サンプルおよび患者由来の神経膠腫球株 (HDAC1 ～ 4、HDAC6、および HDAC9) で発現されるのは 6 個だけです。レンチウイルスのノックダウン実験により、HDAC1 と HDAC6 が in vitro と in vivo の両方での増殖に最も一貫して必須であり、非常に異なる遺伝子モジュールを標的とすることが明らかになりました。 in vivo での HDAC1 または HDAC6 のノックダウンにより、より限定された浸潤性の低い腫瘍が生成されました。 IDH1 変異によって誘発される遺伝子調節異常は広範囲に及んでいますが、IDH1 の直接阻害では部分的にのみ可逆的です。この研究では、HDAC1 および HDAC6 が、IDH1 変異型神経膠腫の増殖と浸潤に必要な重要な薬剤標的酵素であることが特定されました。

成人の低悪性度神経膠腫の配列決定研究により、IDH1 および IDH2 代謝酵素の活性部位に点変異があり、これがα-ケトグルタル酸を癌代謝産物 2-ヒドロキシグルタル酸 (2-HG) に還元するという新規の酵素機能を与えることが明らかになりました1。多くのクロマチン調節酵素 (TET DNA デメチラーゼや JMJ ヒストンデメチラーゼなど) は補因子としてα-ケトグルタル酸を必要とし、高濃度では 2-HG が競合阻害剤として作用し、DNA およびヒストンの過剰メチル化を引き起こし、その結果広範囲にわたる遺伝子のダウンを引き起こす可能性があります。規制2. この発見以来、研究の大部分は、TET2 および DNA 過剰メチル化に対する IDH1 および IDH2 変異の影響に焦点を当てており、ヒストンについては比較的研究が進んでいません 3,4,5。 TET2 および IDH の変異は急性骨髄性白血病 (AML) で一般的かつ相互に排他的であり、Tet2 および IDH1 ノックアウトマウスは両方とも自然発生的に白血病を発症します 7,8。これは、AML の場合、IDH1 変異が主に TET2 機能の阻害を通じて作用していることを示唆しています。ただし、神経膠腫における IDH 変異の腫瘍形成メカニズムはあまり明らかではありません。 TET2 変異は神経膠腫ではまれであり、Tet2 ノックアウトマウスも IDH1 ノックアウトマウスも自然発生的に脳腫瘍を生成しません。

組織学的に類似した小児の低悪性度びまん性内因性橋神経膠腫（DIPG）の配列決定研究により、H3 ヒストンサブユニット（H3K27M）における単一のリジンからメチオニンへの置換が明らかになりました9、10、11。通常の状況では、H3K27 リジンはアセチル化 (H3K27ac) またはメチル化 (H3K27me3) され、それぞれヌクレオソームが開閉します 11,12。マウスモデルは、H3K27M 変異がヒストンのアセチル化の増加と遺伝子発現の増加につながることを示しています9,10。興味深いことに、これらの研究は、H3K27 アセチル化のレベルがα-ケトグルタル酸の細胞内濃度と相関していることも示しており、α-ケトグルタル酸の枯渇を引き起こすIDH1/2変異が、対応するH3K27の脱アセチル化を引き起こす可能性があるという仮説につながりました。

2 fold changed) genes from each of the drug treatment data sets was assigned to one of the following sub-groups: (1) unique to one of the HDAC knockdown sets, (2) “non-unique” i.e. shared by more than one HDAC knock-down gene set, or (3) “unaccounted” if the gene was not found in any of the HDAC knock-down sets). (D) RNA-seq datasets from each knockdown as well as drug treatment samples (1 mM VPA, and 15 nM LBH) underwent PCA analysis (HK252)./p>

200 nucleotides) was purified from cells using the Quick-RNA MiniPrep Plus Kit (Zymo Research, #R1057). The quality control check on RNA-seq reads was performed with FastQC v0.11.7. Adapter sequences and bad quality segments were trimmed using Trim Galore! v0.4.2 and cutadapt v1.9.1. The trimmed reads were aligned to the reference human genome version GRCh38/hg38 with the program STAR v2.6.1e. Duplicate aligned reads were removed using the program sambamba v0.6.8. Gene-level expression was assessed by counting features for each gene, as defined in the NCBI's RefSeq database. Read counting was done with the program featureCounts v1.6.2 from the Rsubread package. Raw counts were normalized with respect to library size and transformed to log2 scale using rlog() function in R package DESeq2 v1.26.0./p>