原癌组蛋白H3.3K36M诱导软骨母细胞瘤形成的分子机制

Recently, it's found that several types of pediatric cancers contain high frequent mutations in histone H3, and these mutant histones show oncogenic effects. Thereafter, these mutant histones are so-called oncohistones, of which over 90% of chondroblastomas contain an H3.3K36M mutation. The functions of epigenetic changes in drug resistance of tumors have been studied thoroughly. However, it's still unknown how epigenetic changes promote tumorigenesis. In the light of our previous studies about the function of H3.3K36M in the tumorigenesis of chondroblastoma, we will further study the impacts of different H3K36M mutations on the H3K36 methyltransferases in vitro. In addition, we will profile the reprogramming of epigenetic information, including histone modification and DNA methylation, in different H3K36M mutant cells through high-throughput sequencing. We will also study the cellular phenotype, genes expression and spurious transcription initiation in the mutant cells. These studies will elucidate the molecular mechanism how oncohistone H3.3K36M induces tumorigenesis, and provide novel and urgently therapeutic targets for the precision medicine.

近期大规模基因组测序发现许多组蛋白H3突变在青少年癌症中有极高的发生率。功能研究表明这些突变都具有原癌作用，随之这些组蛋白H3突变被称为原癌组蛋白。其中原癌组蛋白H3.3K36M在软骨母细胞瘤中的发生率超过90%。长期以来，人们对表观遗传信息改变在癌症细胞抗药性中的作用进行了深入的研究，然而对其如何像原癌基因一样导致癌症形成还知之甚少。本课题拟在之前对原癌组蛋白H3.3K36M的研究基础上，进一步通过体外组蛋白甲基化实验探索不同组蛋白H3中K36M突变对相应甲基转移酶的作用。同时通过高通量测序，研究K36M突变发生于不同组蛋白H3时，细胞内组蛋白修饰和DNA甲基化的表观遗传重编程过程。最后通过对细胞表型、基因表达和非转录起始的研究，进一步揭示原癌组蛋白H3.3K36M诱导软骨母细胞瘤形成的分子机制，从而为软骨母细胞瘤的精准治疗提供潜在的治疗靶点。

组蛋白的翻译后修饰对细胞中的基因表达具有重要的调控作用。软骨母细胞瘤中发现的H3.3K36M突变发生于大于90%的病例中，其通过抑制细胞内H3K36的甲基转移酶，重编程细胞内的组蛋白翻译后修饰和基因表达，从而促进肿瘤形成。目前对原癌组蛋白重编程细胞内表观遗传的分子机制的研究鲜有报道。在人体中有多达15个基因编码组蛋白H3和他的变体，其中13个基因中编码K36的密码子都是AAG，他们突变为甲硫氨酸的密码子ATG均只需突变一个碱基。在软骨母细胞瘤中，目前发现的原癌组蛋白H3.3K36M突变主要都发生在编码H3.3的基因H3F3B上。此项研究着重于探索为什么原癌组蛋白H3.3K36M只发生于H3F3B基因，其诱导软骨母细胞瘤形成的调控分子机制。..在本项目中，我们通过构建体外的原癌组蛋白H3.3K36M和甲基转移酶SETD2的反应体系，验证了原癌组蛋白对酶活的抑制作用。进一步的，我们通过冷冻电镜探索了原癌组蛋白H3.3K36M和甲基转移酶SETD2的结合模式，发现H3.3K36M能够增加其与SETD2的结合能力，并且组蛋白H1能够通过解开核小体上的DNA释放SETD2。为了能够在体内验证原癌组蛋白H3.3K36M的促癌机制，我们在软骨细胞内分别敲入了H3.1K36M和H3.3K36M突变，通过表观遗传组学和转录组学研究，发现了H3K36M通过增强子激活重编程了细胞内的基因表达。更加重要的是这种激活是受到H3K36M整合到基因组位置所决定的。有意思的是，只有H3.3K36M敲除的细胞才表现出克隆形成增加，分化能力缺失等与肿瘤形成密切相关的细胞特征。以上研究都为H3.3K36M和H3.1K36M不同的表观遗传重编程作用及促癌作用提供了分子机制证据。