您好,请问有什么可以帮到您的。 点击这里给我发消息
武汉新启迪生物科技有限公司
新启迪-您的生物科研好伙伴!2008-2020
本企业通过iso9001质量体系认证

短H2A组蛋白变异体在癌症中的表达

 二维码
发表时间:2021-01-22 10:50作者:武汉新启迪Xinqidibio

摘要

短H2A(SH2A)组蛋白变异体主要在胎盘哺乳动物的睾丸中表达。它们与染色质的结合与核小体失稳和交替剪接的调控有关。在这里,我们表明,sH2As天生具有类似于与核小体不稳定相关的反复癌组蛋白突变的特征。通过对现有癌症基因组学数据的分析,我们发现在广泛的癌症中存在异常的sH2A上调,其剪接模式与全球核小体失稳相一致。我们推测,短的H2As是一类“现成的”癌组织蛋白,其不适当的表达会导致肿瘤中染色质功能障碍。

导言

核小体是染色质的基本亚基,由组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)组成,它们包裹着147 bp的dna。1。组蛋白中的单等位基因突变,被称为“癌组蛋白”,在许多不同的恶性肿瘤中都有发现。2,3。肿瘤组蛋白在组蛋白池中所占的比例很小。4,5很少自己致癌2,6。相反,它们与其他癌基因协同作用,以促进肿瘤染色质景观的发展。2,6。最近的大规模癌症基因组分析发现,在许多常见癌症中,组蛋白在高度保守的组蛋白折叠域(Ffd)中反复发生突变。2,3。这些hdds突变,包括特征良好的h2b-e76k替换,在体外降低了核小体的稳定性,并在体内扰乱了染色质。2,7。类似地,大多数H2A hfd癌组蛋白突变会破坏与dna(R29q)或核-体间相互作用(酸性斑)的接触位点(图)。1A)。H2B-E76K和PI3KCA基因共表达细胞转化能力增强,与核小体不稳定性一致,增强了其他癌基因的致癌潜能。2.

图1:H2A.B具有在灵长类动物中保存的癌组蛋白特征。

a人类核心H2A中常见肿瘤突变的原理图及其在H2A.B中的地位。H2A核标记位点显示WT氨基酸位置,其次是TCGA(粉红色)中最常见的肿瘤特异性替代。在WT短H2As中发现的相关位点以紫色显示。b人类和有代表性灵长类动物的H2A核心、睾丸特异性H2A(TH2A)和H2A.B的蛋白质序列。与H2A癌组蛋白突变相对应的替换(见图)。1)都是粉红色的。

短组蛋白H2A变异体(SH2A)是一类在哺乳动物精子发生过程中表达的组蛋白变异体。8,9,10,11...正常睾丸中sH2A表达的调控尚不清楚12。与其他组蛋白变异体不同,sH2As是快速进化的,具有高度分散的hdf、突变的酸性斑块和截短的C-末端,所有这些都会影响核小体的稳定性。8,13,14,15,16。这些变异体H2A.B的最佳特征是形成独特的核小体,在体外和体内包裹~120 bp的DNA。15,16,17。在睾丸中,H2A.B在减数分裂过程中被整合到核小体中,并被证明与剪接因子在转录的基因上相互作用。17,18,19,20。小鼠H2A.B编码基因的生殖细胞断裂显示H2A.B丢失与染色质功能障碍和睾丸剪接改变有关18.

虽然sH2As在癌症中的作用尚未确定21,关于核小体不稳定作为癌症驱动因素的新兴文献。2,3以及H2A.B具有破坏核小体稳定的强大能力13,14,15,16促使我们研究sH2As是否可能导致癌症。以前的研究表明,H2A.B的表达增加了对DNA损伤剂的敏感性,缩短了S期。22,改变剪接17,19,22,每一种都与癌的发生有关。H2A.B在癌症中所起作用的更多证据来自于霍奇金淋巴瘤(HL),在那里已经检测到H2A.B的转录本。23表达H2A.B的HL细胞生长速度快于H2A.B阴性细胞。22。通过对标准H2A中种系短H2A序列和癌组蛋白突变的比较分析,我们发现短H2As具有致癌组蛋白的内在特征。我们探索了几个癌症数据集,并发现H2A.B在多种恶性肿瘤中的表达。我们还表明,这些癌症中有许多具有独特的剪接特征。我们认为,核小体失稳特性sH2As的进化是因为它们在睾丸中的作用导致了其他组织中癌组蛋白的活性。

结果

SH2As已进化成癌组蛋白特征。

有五个X-连接人类的sH2A基因:H2A.B.1.1(H2AFB 2),H2A.B.1.2(H2AFB3),H2A.B.2(H2AFB 1),H2A.P(油麻油)和H2A.Q(未加注释)8。我们比较了sH2As和标准H2A的氨基酸序列,以评估它们的快速进化是否会导致癌组蛋白样改变。这一分析表明,在所有野生型sH2A序列中,许多最常见的癌相关突变在典型的h2A中已经存在(如图所示)。1A,补充图。1A,b)。这包括R29Q/F替换,它们对应于规范H2A中第二个最频繁的突变(图1)。1A,补充图。1A,b)2,3。此外,所有野生型sH2As都有一个C末端截断,删除了E 121,这是典型H2A中最常见的突变(如图所示)。1A,补充图。1A,b)2,3。灵长类动物的系统发育分析表明,尽管它们进化迅速,但这些癌组蛋白样的变化是高度保守的(图一)。1B,补充图。1A-c)8。这种保护意味着功能性后果,因为其中许多残基是组蛋白-dna或组蛋白-组蛋白相互作用的关键接触点。1,13,14,15,16。这些数据表明,sH2As含有与癌症中典型的H2A突变相似的癌组蛋白特征。

H2A.B在多种癌症中被重新激活

SH2As固有的癌组蛋白特性表明,它们可能通过上调而在癌症中发挥作用。我们把重点放在H2A.B Paralogs的表达上,因为它们有很好的注释,并且已经被证明对核小体的稳定性和细胞周期的进展都有影响。22。为了研究H2A.Bs在不同癌症中是否被激活,我们首先使用了来自肿瘤基因组图谱(TCGA)的转录数据。这一分析表明,H2A.B类似物在多个癌症类型的单个肿瘤中被激活(阈值为>1.5/百万转录本(TPM))(如图所示)。2A,补充数据1,补充数据2),但从未出现在相邻正常组织中(补充数据)1),也很少(<1.5%)来自基因型组织表达数据库的非睾丸组织样本(补充表)。1)。表达范围差异很大,两个样本中H2A.B编码的转录本出现在>100 TPM处(补充数据)。2)。虽然许多肿瘤会重新激活H2AFB 1单独,大多数肿瘤表达H2AFB 2也表示H2AFB3(无花果)2A)。这一发现可能源于转录协同调节,因为它们的基因组相近(补充图)。2B)或无法通过短读映射来区分这些接近相同的参数。8...尽管它们有相似之处,但我们还是能够在几个肿瘤样本中区分这两个基因(如图所示)。2A).

图2:H2A.B在多种癌症中表达。

a热图显示H2A.B蛋白在表达任何一种H2A.B副命令的单个肿瘤中的共同表达(根据RNA-seq的测量值>1.5TPM),对于至少有10个肿瘤表达任何H2A.B副序的癌症类型。每种肿瘤类型中表达H2A.B副反应的肿瘤百分比显示。bH2A.B编码转录本在三个独立的B型急性淋巴细胞白血病数据集中的表达水平(TPM),用RNA-seq测量的水平线标定1.5TPM。仅显示任何H2A.B类似物非零表达的样本:从Liu等人中省略了18、5和1个样本。2016,钱等人。以及Yasuda等人。分别为2016年。cb,而是来自CCLE的癌细胞系,按其谱系分组。只显示任何样本>1.5TPM的谱线,以及任何H2A.B模拟的非零表达的样本。

在TCGA数据集中,弥漫性大B细胞淋巴瘤(DLBCLs)的异常H2A.B表达频率最高,为50%(图一)。2A)。DLBCL基因组分析鉴定出五种不同的分子亚型24,包括一个与组蛋白突变相关的良好预后-生发中心(FP-GC)亚型。我们研究了H2A.B的表达是否仅限于FP-GC亚型。我们询问了37个dlbcl样本中与fp-gc亚型相关的突变,包括linker h1和核心组蛋白、免疫回避基因、pi3k、nf-κb和jak/stat/ras通路成分。24。25个样本至少有一个基因突变,包括15个不同的组蛋白突变样本(补充数据)。3)。H2A.B在13份fp-gc突变样本中表达,在10份fp-gc样本中有6份没有组蛋白突变(补充数据)。3)。为了与另一种DLBCL亚型进行对比,我们分析了H2A.B在预后较差的生发中心亚型中的表达,该亚型与染色质修饰物的突变相关。EZH 2,CREBBP,EP 300,KMT2D,BCL11A24。虽然我们没有发现EZH 2突变,15个样本至少有一个染色质修饰基因突变。其中9个样品也有H2A.B上调。这些分析表明H2A.B在多个生发中心DLBCL亚型中表达。

H2A.B异常表达的TCGA数据还包括子宫体子宫内膜癌(UCEC)(9.5%)、尿路上皮性膀胱癌(BLCA)(4.7%)、宫颈鳞状细胞癌(4.5%)和子宫颈癌(4.5%)。2A)。这些癌症在tcga数据集中的核心组蛋白突变频率最高,从5%到8%不等。2。我们发现了一些同时存在H2A突变和H2A.B表达的标本(补充数据)4)然而,共享这两种特征的样本数量较少,妨碍了有意义的相关分析。

H2A.B在HL中的上调作用23和DLBCLs(图1.2A)促使我们分析来自其他淋巴系来源的低突变癌症的数据集,以检测H2A.B的异常表达。我们询问了四个独立的B-急性淋巴细胞白血病(B-All)数据集,在>1.5TPM时发现6-7%的H2A.B编码转录本(图1)。2B)在三组数据中25,26,27,占第四(附图)的13%。2C)28...由于H2A.B表达的液态和固态肿瘤的多样性,我们检索了癌细胞株百科全书(CCLE)数据库。29H2A.B表达>1.5TPM的细胞系。与高频H2A.B在TCGA DLBCL中的表达相一致,淋巴瘤中H2A.B阳性细胞的比例最高(如图所示)。2C70%的HL和25%的非霍奇金淋巴瘤细胞株表达H2A.B。其他肿瘤中H2A.B的表达谱在CCLE和TCGA数据集之间也是相似的(图一)。2C)。我们的结论是,H2A.B在广泛的癌症中异常表达。

我们研究了H2A.B诱发癌症的潜在原因。虽然对H2A.B编码位点在睾丸中的转录调控知之甚少,但X染色体倍性的变化与癌细胞适应度的提高有关。30。我们研究了H2A.B在癌症中的表达是否是由于在这些样本中的一个额外的X染色体的大区域、扩增或增益的整体去表达所致。我们比较了H2A.B表达和沉默样本中X-和常染色体连接转录本的水平,发现没有显着性差异(补充图)。2A)。我们还研究了个体的表达特征。H2AFB位点及其周围区域,发现上调仅限于每个个体H2A.B-编码位点,而不上调相邻位点(附图)。2B)。这些结果与我们在TCGA数据集中的发现一致,其中232个H2A.B阳性样本的H2A.B表达中位数为~3 TPM(补充数据)。2),相当于所有表达基因的第49百分位数。这种表达水平更有可能是个体局部的、特定的激活的结果。H2AFB比重复扩增或更广泛的X染色体功能障碍。

H2a.bs与癌症特异性相关,而不是泛癌基因表达程序。

H2A.B蛋白H2AFB 1H2AFB 2/3顺序几乎相同。然而,独立的恢复H2AFB 1H2AFB 2/3在不同的癌症标本中,这些密切相关的基因目录可能与不同的全球基因表达程序有关。为了探索这一点,我们比较了H2AFB 1-重新激活的样本与来自H2AFB 2/3-同一癌症类型的重新激活样本。我们发现成千上万的基因在UCEC、hNSC、LUSC和BLCA中普遍上调或下调。3A),表明不同的H2A.B蛋白在相似的基因表达环境中起作用。

图3:H2A.B-再活化癌的基因表达分析。

a基因表达差异的散点图(以折叠变化表示),比较H2AFB 1-阴性肿瘤阳性(x),以及H2AFB 2/3-阴性肿瘤阳性(y(斧头)红色和蓝色边框显示的基因通常上调--或下调--超过1.19倍。并给出了Pearson相关系数。b比较H2A.Z水平的箱形图H2AFZ),H3.3(H3F3A),H2A.X(H2AFX)和NAP 1(NAP1L1)H2A.B-阳性(绿色)与阴性(橙色)癌的转录本来自TCGA和B-所有数据集。星号显示了双边Mann-Whitney在tpm上的差异的统计意义。U测试一下。*p < 0.05; **p < 0.01; ******p < 0.000001; *******p < 0.0000001. Number of cancer samples in each group are listed in Supplementary Table 2。方格表示第一四分位数、中位数和第三四分位数,而晶须从方格端延伸到不大于/小于四分位数范围1.5倍的数值。所有数据点都是另外绘制的。c方略b比较TCGA和B-全癌中H2A.B阳性癌(绿色癌)和阴性癌(橙色癌)的CTAs评分。对于每个肿瘤,CTAs的表达被概括为CTA评分:前40位表达最多的CTAs(在每种癌症类型内)的和Z-归一化log表达。星号显示单面Mann-Whitney的CTA分数差异的统计意义。U测试一下。*p < 0.05; **p < 0.01. Outlier points beyond the whiskers are additionally plotted.

我们研究了其他基因的表达是否与H2A.B的表达相一致。我们发现146个基因被上调,90个基因在H2A.B阳性的癌症中被下调(补充数据)5)。我们没有发现其他睾丸特异性组蛋白变异体,如H2A.1(TH2A)或H2B.1(TH2B)的共同上调作用。20(补充数据)5)在H2A.B-表达的癌症中。H2A.Z、H2A.X和H3.3三种组蛋白变异体在H2A.B阳性和阴性癌之间也没有一致的差异,但UCEC中H2A.Z和H2A.X值较低(图1)。3B)。我们注意到,中位H2A.X水平与H2A.B的最大值相似(图1)。3B,补充数据1)。我们还检测了组蛋白伴侣NAP 1(NAP1L1),可以组装含H2A.B的核小体。15,21。我们在所有TCGA癌中检测到NAP 1编码的转录本,其中DLBCL的表达水平最高(如图所示)。3B,补充表2)。这种相关性的染色质后果,即NAP 1水平升高是否导致H2A.B在染色质中的掺入是未知的。

我们注意到,在常见的上调基因中,12/146是肿瘤-睾丸抗原。如H2AFB 1与hl中cta的子集共同表达。23,我们确定了H2A.B活化的癌症是否与CTA的上调有关.我们总结了单个CTAs在每个肿瘤中的综合“CTA评分”的表达情况,并比较了H2A.B-再激活和沉默样本的评分(图一)。3C)。虽然H2A.B-表达的HNSCs、LUSCs和UCECs有统计学意义,但DLBCLs和SARCs没有表达。3C)。我们还检查了四个B-所有数据集,发现H2A.B的表达与CTA上调有关(见图)。3C)。然而,个别的CTAs,例如NY-ESO-1(CTAG1B)和CT45A5在癌症中的不同表达(补充数据)5),与这类基因公认的转录异质性一致。31,32。这些数据表明,H2A.B的表达与CTA在几种肿瘤类型中的表达有关。

CTAs受内源性免疫监测机制的影响23已知tcga肿瘤样本中含有不同数量的免疫浸润。33。我们研究了H2A.B的表达是否与免疫浸润有关,因为这可能混淆我们的转录组分析。我们发现B细胞、T细胞亚群、NK细胞、单核细胞和活化巨噬细胞的转录水平在H2A.B表达的肿瘤中没有一致的富集(补充图)。3)。事实上,UCEC在PRF 1表达以及多个巨噬细胞和中性粒细胞标记物。预测有几种sH2A衍生肽能结合人类白细胞抗原(HLA)分子。34,35(补充数据)6),提示免疫抑制微环境可能与UCEC中H2A.B的持续表达有关。在H2A.B阳性的TCGA标本中缺乏过量的免疫浸润和H2A.B阳性的癌细胞株的鉴定(如图所示)。2C)支持H2A.B在癌细胞中的上调,尽管不能排除患者标本中周围基质的贡献。

H2A.B-表达的癌症有不同的剪接模式

H2A.B与RNA直接结合,与剪接因子相互作用,H2A.B的表达影响剪接模式。17,18,19,20,22。为了确定H2A.B的表达是否与剪接失调有关,我们从TCGA数据集中注释并量化了H2A.B-激活和沉默的肿瘤的转录过程中的所有构成性和选择性剪接事件。我们发现了数千例癌症之间的剪接事件(图一)。4A,b)。我们发现H2A.B的表达与替代“盒外显子”(Se)和近端替代3‘聚腺苷化(APA)位点(补充图)的利用率降低有关。4A,b)。这些特征在BLCA、SARC和UCEC中尤为突出。4A,补充图。4A)。虽然变化是个别不大的(补充图)。4C-f,补充数据7),它们是广泛存在的,也就是说,我们在数千个不同癌症类型的部位观察到了显著的变化(如图所示)。4A,b)。这些模式不是H2A.B副命令特有的,因为在表达这两种特征的标本中都观察到了类似的模式。H2AFB 1H2AFB 2/3(补充图。4A,b).

图4:H2A.B-再活化癌症的剪接分析。

a条形图显示H2A.B阳性肿瘤与阴性肿瘤时上调和下调剪接事件的百分比(构成性和可选性),其中至少有10种肿瘤表达任何H2A.B副反应。b比较H2A.B阳性个体事件的不同癌症的可选盒外显子包含的散点图(y轴向阴性肿瘤(x(斧头)AXIS单位是包含选择性盒式外显子(PSI)的转录本的一部分。红色和蓝色点表示H2A.B阳性肿瘤中显著上调或下调的事件,其阈值为p < 0.05 (one-sided Mann–Whitney test) and the difference in Psi >0.1. The number of significantly up- and downregulated events are tallied in the bottom of each panel. ca但是对于B-所有的数据集。

我们还探索了四个B-所有数据集的拼接。与骨髓增生异常综合征和急性髓细胞白血病不同36B-all与剪接因子的突变无关,全球剪接调控失调也不被认为是这些白血病的主要驱动因素。当我们比较每个数据集中的H2A.B重新激活和沉默样本中的剪接模式时,我们观察到异常剪接的规模类似于H2A.B阳性的TCGA癌症,并减少了替代外显子和APA的使用。然而,最显著的特点是在所有四个数据集中保留的内含子“ri”持续减少(如图所示)。4C)。我们的结论是,H2A.B的表达与剪接功能障碍有关,在许多癌症中有一些共同的特征,而另一些则是以特定上下文的方式发生的。

讨论

癌组蛋白突变的发现揭示了对癌症生物学的新见解。我们发现,所有哺乳动物的基因组已经编码了sH2A组蛋白变异,这些变异已经进化出核小体不稳定的特征,而没有任何额外的编码突变。这些特征对sH_2As在正常睾丸生理中的作用是重要的,但在脱离上下文表达时会产生癌组蛋白性质。以这种方式,它们类似于地下墓穴/EZHIP。37,38,另一个睾丸特异的癌组蛋白模拟抑制EZH 2在一个罕见的恶性肿瘤子集。然而,H2A.B的表达不像过氧化氢/EZHIP,它在许多常见的癌症中都有表达。表达H2A.B的肿瘤类型的多样性表明,病理组蛋白动力学在肿瘤中所起的作用比以前所认识的更为重要。

目前尚不清楚H2A.B在癌症中表达的确切分子靶点。在H2A.B阳性的恶性肿瘤中,通常很少有基因不受调控(补充数据)。5),暗示H2A.B影响不同癌症的不同基因。由于核小体保护dna免受不适当的转录因子结合,核小体的不稳定性可能允许致癌的tfs通过不同的调控元件(取决于癌症类型)。2,39。核小体失稳还会加速RNA聚合酶Ⅱ的延伸,从而降低转录偶联剪接效率。40。选择性外显子和近端多腺嘌呤基化序列因其弱的剪接信号而优先受到低效率剪接的影响,从而产生类似于在H2A.B阳性癌症中观察到的剪接表型。40。由于某些替代外显子通过定向于无意义介导的衰变来促进mrna的降解,即使是选择性剪接的适度减少也会增加癌基因的表达。41。H2A.B可能在几个协同促进肿瘤发生的过程的连接处运作。

组蛋白动态、转录和剪接之间的关系也可能解释了尽管H2A.B的高频率表达,我们仍无法检测DLBCL中的剪接表型。许多染色质蛋白在dlbcls中是紊乱的,包括myc,p 300,h1连接物和核心组蛋白,每一种都会影响选择性剪接。24,42,43,44。组蛋白突变癌与H2A.B表达的癌症之间的潜在相似性是否延伸到预后和脆弱性方面值得进一步研究,特别是在DLBCL的背景下,需要更多的数据来分析这些关系。有几个细胞系对H2AFB 1-sanger癌依赖图中的gRNAs,淋巴瘤衍生细胞系su-dhl-8和im9对此最敏感。H2AFB 1干扰45。还需要更好地表征组蛋白突变和H2A.B在癌细胞中的表达,以探索H2A.B表达的癌症与组蛋白突变癌的相似之处。最后,sH2A衍生的短肽结合HLA分子(补充数据)6)可能是有用的免疫治疗靶点,而全球剪接失调也能产生高免疫原性的肿瘤抗原。46。因此,我们发现表达sH2A的癌症可能为全世界数十万癌症病例的研究和治疗开辟新的途径。


武汉新启迪生物科技有限公司联系邮箱:
service@qidibio.com  techsupport@qidibio.com  
武汉新启迪生物科技有限公司咨询客服:周一至周五8:30-17:30
联系我们
服务保障                        支付方式
武汉新启迪生物科技有限公司联系电话:
027-87610298
027-87610297