TBP

Pol V-KTF1转录延伸复合物的冷冻电镜结构显示，Pol V具有和Pol II类似的活性中心，但Pol V活性中心的结构单元和Pol II具有构象差异。 《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中科院合成生物学重点实验室张余研究组撰写的题为A cryo-EM structure of KTF1-bound polymerase V transcription elongation complex的研究论文。该研究报道了包含KTF1的RNA聚合酶V（RNA polymerase V; Pol V）转录延伸复合物的高分辨率冷冻电镜结构，为剖析Pol V转录延伸奠定了结构基础。 陆地植物通过RNA介导的DNA甲基化通路（RNA-directed DNA methylation pathway，RdDM）建立和部分维持基因组DNA甲基化。该通路中，基因组DNA甲基化与Pol V的转录延伸过程紧密偶联，Pol V转录延伸过程通过两个层次的相互作用招募Argonaute4/6-siRNA复合物。第一个层次是Pol V-KTF1和Argonaute 4/6蛋白的直接相互作用。该相互作用涉及Pol V和KTF1中包含GW基序的结构域。第二个层次是Pol V转录产生的long non-coding RNA与Argonaute4/6携带的siRNA序列匹配。进而，上述复合物进一步招募DNA甲基化转移酶DRM2在Pol V的转录区域进行DNA甲基化修饰（图1）。Pol V由Pol II进化而来，但其转录活性低于Pol II，其转录的基因组区域以及相互作用的转录调控蛋白和Pol II有显著区别。 Pol V-KTF1转录延伸复合物的冷冻电镜结构显示，Pol V具有和Pol II类似的活性中心，但Pol V活性中心的结构单元和Pol II具有构象差异。研究推测这一差异与Pol V的较弱转录活性相关。该研究进一步表明Pol V具有独特的结构特征，而该特征阻止其与Pol II的通用转录因子（TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIH、TFIIS）以及Pol IV的转录偶联因子（RDR2）相互作用，解释了Pol V相较Pol II以及Pol IV功能的独特性。此外，该研究揭示了KTF1的KOW5结构域和Pol V之间的相互作用，KTF1的KOW5结构域结合在Pol V的RNA退出通道附近。这一结合方式使KTF1 的C端GW结构域指向Pol V转录RNA的5’末端，从而便于其招募携带siRNA的AGO4/6。该成果为Pol V的转录特征提供了结构解释，为进一步研究Pol V转录延伸偶联的DNA甲基化过程奠定了基础。 研究工作得到国家重点研发计划和上海市基础研究特区计划项目的支持。

引言：2011年4月13日，世界卫生组织将所有类别的紫外线(ultraviolet, UV)辐射归类为1级致癌物质。然而，全球调查显示，仍有80%的欧洲人相信拥有古铜色的肌肤象征着健康和美丽。但本质上，晒黑就是紫外线对皮肤造成伤害的表现。同时，有证据表明紫外线可以预防心血管疾病和增强肝脏代谢。不论是利是害，阳光通过皮肤对大脑和内分泌系统造成影响已是不争的事实。现在，又有研究发现，日光暴露会导致男性的觅食行为和食物摄入的增加，而雌激素的干扰则使得女性不受其影响。2022年7月11日，发表于nature metabolism的一项题为“Food-seeking behavior is triggered by skin ultraviolet exposure in males”的研究指出：UVB的照射将导致皮肤脂肪细胞中的p53转录激活，饥饿素（ghrelin）的mRNA水平升高，血浆中饥饿素浓度增加，从而增进进食欲望；在敲除了p53的小鼠中，UVB诱导下的饥饿素表达和觅食行为被消除；而在雌性中，雌激素则通过干扰饥饿素启动子上的p53-染色质相互作用，阻止了饥饿素对UVB的响应（图1）。图1 研究结果（图源：[1]）参与食欲调节的激素有很多，如胰岛素、瘦素等外周激素都可抑制食欲，但饥饿素是目前唯一已知能够刺激食欲的外周肽。饥饿素的分泌受血液中营养物质和代谢物的抑制，而谷氨酸钠、多巴胺、催产素和肾上腺素则会增加饥饿素分泌。多种环境因素，如音乐、光照、气味，都能影响饥饿素分泌，但潜在机制未明。胃是饥饿素的主要来源，然而切除胃只能减少65%的饥饿素，说明还存在着其他生产饥饿素的组织。本项研究揭示了UVB暴露-皮肤-p53基因-饥饿素这条通路是如何影响人类男性/雄性小鼠增加觅食行为，而人类女性/雌性小鼠则不受影响的。日光照射可增强男性能量摄入和代谢情况研究人员通过分析一项约3000人为期3年的全国营养调查数据发现，男性的能量摄入和代谢情况与太阳辐射及其季节性波动显著相关。研究对志愿者UVB暴露前后血浆进行质谱分析，并通过蛋白质图谱和基因本体论分析进行功能相关性分析，对小鼠UVB暴露后总血浆蛋白进行蛋白质组学分析。数据表明，和人类男性一样，雄性小鼠对紫外线和季节变化更为敏感，新陈代谢受到显著影响（图2）。图2 日光增强男性能量摄入和代谢情况（图源：[1]）UVB暴露增强雄性的觅食行为研究人员对小鼠进行为期10周的UVB暴露处理，并观测期间的食物摄入量和行为活动，发现雄性小鼠在暴露于UVB时，食物摄入量和进食行为显著增加，但最大摄氧量和粪便中的脂肪含量则表明，基础代谢率不会受到调节。通过经典的衡量动物可以为获得食物付出多少努力的楼梯测试，研究人员发现，经UVB暴露的雄性小鼠比未经UVB暴露的雄性小鼠吃得多得多。旷场测试的结果则显示，经UVB暴露的雄性小鼠吃下的食物数量和在中央食物区域停留的时间都显著增加。常用来测试动物焦虑行为的高架十字迷宫实验及对小鼠注射β-内啡肽拮抗剂纳曲酮的旷场测试则表明，β-内啡肽不是UVB暴露导致增强觅食行为的原因。UVB暴露诱导皮肤脂肪细胞中饥饿素的生产和分泌皮肤经UVB暴露会激活p53及其下游，产生促肾上腺皮质激素（adrenocorticotropic hormone，ACTH）、促黑激素（α-melanocyte-stimulating hormone，α-MSH）和β-内啡肽。通过对UVB暴露后小鼠血浆的进一步分析显示，ACTH、α-MSH、β-内啡肽以及胰岛素均不能解释只有雄性暴露于UVB后产生的食物摄入量和觅食行为增加。但不同于雌性小鼠的是，雄性小鼠血浆中的饥饿素水平显著增加，瘦素水平显著降低。研究人员进一步将离体人类皮肤暴露于UVB辐射下，发现男性皮下脂肪组织中的饥饿素mRNA水平在每日暴露于UVB后显著升高，女性则没有改变。使用饥饿素O-酰基转移酶（ghrelin-O-acyltransferase，GOAT）抑制剂GO-CoA-Tat或受体拮抗剂能消除UVB带来的效应，证明UVB暴露是通过饥饿素来增加雄性对食物的欲望（图3）。图3 UVB暴露诱导皮肤脂肪细胞中饥饿素的生产和分泌（图源：[1]）p53介导了UVB诱导的脂肪细胞中饥饿素的表达研究人员发现饥饿素诱导在UVB暴露后8小时达到峰值，暗示转录调控的存在。因此对血浆蛋白进行通路分析，结合PROMO分析确定了六个候选转录因子结合位点：p53、HOXD10、VDR、USF2、FOXP3和TBP。对比p53条件敲除（p53-cKO）小鼠和对照组小鼠发现，UVB暴露实验中：对照组雄性小鼠皮下组织饥饿素水平升高，p53-cKO雄性显著降低；对照组雌性小鼠皮下组织饥饿素水平不变，p53-cKO雌性显著降低。该结果证实p53直接上调雄性皮肤脂肪组织中的饥饿素表达（图4）。动物行为测试的结果也证实，雄性小鼠暴露于UVB后的觅食行为增强有赖于p53的存在。图4 皮肤脂肪细胞中p53的缺失消除了UVB诱导的食欲增强（图源：[1]）雌激素阻断了饥饿素在UVB暴露下的p53转录激活研究人员发现睾酮和雌激素是UVB效应的潜在调节剂，并用二氢睾酮（dihydro-testosterone，DHT）或17β-雌二醇（17β-estradiol，β-E2）刺激细胞。结果显示，DHT在蛋白质水平上诱导饥饿素表达，而β-E2则抑制了UVB诱导的饥饿素表达。此外，在雌激素存在的情况下，p53激活饥饿素启动子表达的能力显著降低。研究人员进一步通过卵巢切除的雌性小鼠模型来阻断小鼠体内雌激素的活性。结果表明雌激素的缺失是p53介导的UVB暴露后皮肤饥饿素水平升高的必要条件。p53是著名的抑癌基因，在在DNA损伤反应中发挥重要作用，也被称作基因组的守护者，本项研究发现p53还是食物摄入的关键介质，凡能影响p53活性的外部因素，均有可能通过p53来调节食欲，而UVB暴露所以引起的p53介导效应还取决于暴露的皮肤量。不过，DNA损伤或别的皮肤触发因素诱发的其他内分泌系统相关分子是否也能影响食欲仍有待研究。饥饿素则具有增强学习、抗焦虑和神经保护等功能，若能进一步研究通过UVB暴露-皮肤-p53来释放更多的饥饿素进而改善大脑功能、改变人类行为，或能使“光疗”扩大应用范围，帮助更多的患者从中受益。撰文|风立宵排版|乔维钧 End参考资料：[1]Parikh, S., Parikh, R., Michael, K. et al. Food-seeking behavior is triggered by skin ultraviolet exposure in males. Nat Metab 4, 883–900 (2022). https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s42255-022-00587-9 本文系生物探索原创，欢迎个人转发分享。其他任何媒体、网站如需转载，须在正文前注明来源生物探索。 往期精选 围观 意大利：武汉爆发之前，新冠已在全球传播！麻疹病例暴增暗藏真相！ 热文 热文 莫名感觉很疲倦，或许已经严重精神内耗了！身心俱损，深陷内耗的人有你吗？ 热文 福岛核事故11年，辐射已在海洋生物体内积累！核废排放在即人类还有机会吗？ 热文 ‍ 留下还是搬家？灾难心理学：地震引发次生灾害频发，居民是否愿意迁移？‍ 点击“阅读原文”，了解更多~

点击上方的 行舟Drug ▲ 添加关注转录失调（dysregulation of transcription）是肿瘤发生发展的重要基础。与细胞周期调节类似，RNA聚合酶II驱动的转录调节是一个单向的多步骤过程。细胞内有数千个独特的转录周期（transcription cycles），每个周期包括募集、起始、暂停、延长、终止和循环。这些阶段受到转录周期依赖性激酶及其同源周期蛋白的协同作用、转录磷酸酶的负向调节所严格调控。致癌性转录失调会导致基因表达的缺陷。因为细胞对转录机制依赖，所以具有“转录成瘾”（transcriptionally addicted）的肿瘤对转录干扰敏感。靶向转录周期蛋白依赖性激酶和相关的小分子蛋白有望用于治疗肿瘤，并有助于合理设计肿瘤的联合治疗疗法。近期来自澳洲墨尔本大学彼得麦卡勒姆癌症中心的Ricky Johnstone教授团队，在Nature Review（IF：60.714）上发表长篇综述：Targeting transcription cycles in cancer (doi: 10.1038/s41568-021-00411-8)。该团队聚焦前沿，从“转录周期”概念入手，阐明了基因表达失调是如何驱动肿瘤发生发展的。并从转化医学角度探索如何从全局或选择性转录干扰中产生治疗效果。从基础和临床医学水平构建理论体系，对靶向肿瘤转录治疗提供有力的依据。Ricky Johnstone教授（图片来源于网络）在恶性肿瘤中，基因组和表观遗传学改变所引起的转录失调被称为“转录成瘾”。这种状态会促进肿瘤的发生发展。“转录成瘾”会过度依赖肿瘤细胞转录过程中的各种成分，所以肿瘤细胞对干扰转录的多个过程都非常敏感。这为开发针对核心转录成分的小分子抑制剂提供了分子学依据，比如转录周期蛋白依赖性激酶（tCDK）、溴多巴胺和末端外（BET）结构域蛋白。目前，许多抑制剂正在进行实体和血液肿瘤的临床前/临床试验。Ricky Johnstone教授认为在生理环境下严格调控转录至关重要，针对这一过程的治疗在肿瘤学中具有开阔的临床前景。墨尔本彼得麦卡勒姆癌症中心（图片来源于网络）肿瘤中的转录失调及其对小分子抑制剂的开发会影响RNA聚合酶II（Pol II）依赖性的基因转录，该过程由精细调节的动态网络控制。在单个基因水平上，Pol II驱动的单向、多步骤转录过程由tCDKs及其同源细胞周期蛋白的协同作用控制。这类似于CDK-细胞周期蛋白的细胞周期调节，因此被称为“转录周期”。转录周期由预启动、启动、暂停、延长、终止和循环等阶段组成，每个阶段都由检查点（check point）控制，这些检查点强化了质量控制以保证Pol II进入下一阶段前准确完成了每一步（和细胞周期检查点类似）（图1）。Pol II复合物中的RPB1亚基的羧基末端结构域（CTD）内的多个残基的动态磷酸化是控制Pol II驱动的转录的核心（图2）。这种磷酸化由tCDKs–细胞周期蛋白和磷酸酶的相反作用所介导（后者可以使其去磷酸化）。有些蛋白质能够特异性识别翻译后修饰的CTD残基，调节转录和共转录活动。另外，tCDK介导的转录调控不仅局限于Pol II CTD磷酸化，还扩展到Pol II辅助因子和Pol II核心亚单位额外残基的磷酸化依赖性调节。在考虑肿瘤的转录周期失调的影响时，需要考虑现有转录周期模型之外的其他复杂因素，例如细胞内和细胞间的转录周期异质性。细胞内转录周期异质性表现为：大量的转录周期可以在单个细胞的基因组中同时发生。具体分为：1.发生在单个基因水平上，当多个Pol II分子同时通过单个转录单元时，几个转录周期同时运行；2.跨越不同的基因，其中基因内在特性决定了每个转录周期阶段的持续时间和速率（图1B）。此外，在不同的细胞类型之间，特定基因的转录周期参数也是不一样的，这导致不同组织和肿瘤之间的转录周期也存在异质性。因此，肿瘤中转录周期的失调可能发生在特定细胞类型的特定基因上，也可能存在于不同细胞群体的全基因组水平。不同的基因选择性转录周期（gene-selective transcription cycles）可能使特定基因转录失调，或者可能使特定的癌基因对核心转录成分的治疗靶向选择性敏感。不同的基因选择性转录周期可能使特定基因发生肿瘤相关的转录失调，可能使特定的致癌基因对靶向治疗的核心转录成分敏感。这篇综述讨论了一个更新的转录周期模型，为我们理解肿瘤中转录失调及其如何影响治疗的靶向性提供了框架。图 1在了解背景知识后，我们正式进入文章正文的学习，该综述主要分为四部分：转录周期的正常调控、转录周期的失调、靶向转录周期以及展望。文章结构清楚，内容详实，信息量巨大，请小伙伴们抓紧时间学习这篇宝藏文章！一、图难于其易，为大于其细。转录周期和细胞周期的概念非常类似，他们都由一系列精确调控的事件组成，后者由被称为细胞周期时钟的机制所调控。在探究转录周期所引起的细胞恶性转化之前，我们有必要先来学习转录周期是如何进行正常调控的。转录周期的第一步涉及起始前复合物的形成（图2），该复合物由Pol II、TFIID和其他一般转录因子组成，与启动子区域的26-亚基中介体复合物（Mediator complex）相关。TFIIH复合体，包括CDK7、细胞周期蛋白H和其他亚基（如MAT1和XPB），随后被招募到中介体-起始前复合物，其中CDK7对Pol II CTD（Ser5）的磷酸化促进了转录启动。CDK7控制着mRNA帽结构的招募，导致5’帽子的增加（图2）。通过与MED12和MED13亚基的相互作用，CDK8和CDK19调节中介体复合体的形成和启动子的招募，以及中介体和POL II的相互作用（图3）。然而，它们在调控POL II转录周期中的主要作用与各种转录因子的磷酸化有关，这些转录因子促进不同基因的激活或抑制，包括E2F1、STAT1和SMAD等靶基因。在启动后，POL II复合体在转录起始点附近暂停，这一过程称为转录暂停。暂停受到DRB敏感性诱导因子（DSIF）、四亚基负延长因子（NELF）复合体和POL II复合体中阻止新生RNA13伸长的构象变化的相互作用的调节（图3）。为了消除暂停、释放检查点并进入生产延长（productive elongation），POL II需要招募CDK9和细胞周期蛋白T1复合体（P-TEFb）。CDK9作用于Pol II转录周期，超过暂停-释放检查点，包括调节转录终止。最近的研究表明，在暂停释放后，Pol II的加工性和延伸率由高度同源的CDK12和CDK13控制，这两个蛋白都与细胞周期蛋白K相互作用。CDK12和CDK13会以部分冗余的方式调节Pol II CTD磷酸化（Ser2）（图2）。通过抑制内含子和选择性多聚腺苷来调节全长mRNA转录本的合成。图 2CDK-Cyclin并不是在转录周期内各自独立起作用，转录周期也不是与其他细胞过程相互分割。CDK7作为由细胞周期蛋白H和MAT1组成的CDK激活激酶复合体的一部分，控制着参与转录调节和细胞周期进程的其他CDK的激活。例如，CDK7通过磷酸化CDK1、CDK2、CDK4和CDK6来调节细胞周期进程，因此CDK7的抑制可能诱导细胞周期表型。与CDK7类似，CDK11-Cyclin L复合体也在转录调控和细胞周期控制之间发挥着作用。CDK11的p58亚型可以在有丝分裂阶段调节细胞周期，而全长p110亚型被证明可以调节复制依赖的组蛋白基因的表达，并促进Pol II CTD在Ser2位置的磷酸化。因此，在不同的细胞周期阶段，转录周期和细胞周期似乎已经共同进化来调控转录，这表明这两个过程在CDK介导的控制方面的相似之处不仅仅是类比。与细胞周期CDKs类似，tCDKs在转录周期中与细胞周期磷酸酶在功能上相反（图2）。二、负阴而抱阳，冲气以为和。当转录过程出现调节失衡时，细胞就会出现异常状态。许多肿瘤细胞存在一个或多个检查点失活，使积累了突变基因和异常核型的细胞获得生长优势。成千上万的转录周期无时无刻不在进行（包括单细胞和不同细胞类型中）（图3）。在恶性肿瘤中，转录周期失调是致癌表型异常转录状态的基础。导致肿瘤异常转录的分子事件非常多，发生在不同肿瘤类型中的基因缺陷在功能上都汇聚于转录周期。致癌转录失调可通过影响直接控制POL II转录的分子机制的表达和/或功能的遗传异常而直接发生（即直接调节因素）。转录失调也可以通过突变间接发生。这些突变会改变转录因子、表观遗传调节因子或中间体，不同程度地促进或拮抗信号级联反应中的活性（即间接调节）。这些遗传事件干扰肿瘤细胞转录的范围是多种多样的，从对细胞特性至关重要的少数基因的高度选择性变化到几乎所有转录周期的失调。这种选择性的原因可能有：①基因的内在属性，如暂停状态或基因长度；②基因外在因素，如与tCDK或tCDK功能相互作用的转录组或基因组的改变；③共转录和转录后过程，包括前mRNA剪接、mRNA输出，这些过程控制稳定的mRNA水平，从而通过反馈机制影响转录周期的活动（图3&图4）。 图 3目前，有关编码POL II转录循环机制通用成员的基因与肿瘤相关突变的研究是非常有限的（见原文表1）。例子有：在脑膜瘤中编码Pol II中最大RPB1亚单位的POLR2A基因中，反复出现Q403K错义和L438_H439缺失突变；转移性前列腺癌中含有POL2RA基因的染色体17p区域的杂合性缺失。除了CDK12和较小程度的CDK8，编码tCDKs的基因突变是罕见的，并且没有被报道是肿瘤中发生转录周期直接失调的机制。另一种解除转录周期调控的方式是通过破坏调节tCDK活性的蛋白质。例如，MYC扩增或基因重排产生混合性白血病（MLL）融合嵌合体，它异常地将超延长复合体（SEC）招募到MLL靶基因（图2）。这在肿瘤中发生的概率较高，并促进致癌转录失调（图3A）。虽然这些蛋白的活性变化都会干扰依赖POL II的转录周期，但与整体转录相比，一些基因座的转录周期表现会出过度失调。CDK8是转录因子活性的调节器和Pol II中介复合体相互作用的调节因子，被证明具有致癌和抑癌的作用。据报道，在47-60%的结直肠癌中，与CDK8相关的13q12.13基因组区域的扩增导致CDK8表达增加。CDK8-中介复合体在POL II转录周期的起始时起作用，但CDK8表达或活性的改变对整体基因表达和mRNA合成速率的影响很小。但也有研究表明：CDK8会选择性地影响由特定转录因子或超级增强子区域控制的基因转录周期。CDK8在结直肠癌中的扩增与整体转录失调无关，而是与典型的Wnt-β-catenin靶基因（如MYC和AXIN2）通过抑制E2F1转录因子的磷酸化而激活转录循环有关。CDK8在肿瘤组织中的过表达也与更大的核β-catenin定位和WNT通路激活有关。此外，CDK8磷酸化STAT1，与依赖STAT1的转录程序的激活有关，以响应JAK-STAT途径（该通路是骨髓增殖性肿瘤和JAK突变的急性髓系白血病增殖的关键驱动因素）。与CDK8过表达驱动肿瘤生长的作用相反，CDK8也被发现具有肿瘤抑制作用。CDK8缺失可以加速APCmin小鼠肠癌模型的肿瘤形成。在人类肿瘤中，CDK8相关的肿瘤抑制功能最常见的是与它在介体复合体中的作用有关。在子宫肌瘤中报告了编码中介复合体亚单位MED12基因的体细胞突变，而在前列腺癌和结肠癌中发现这一突变属于罕见事件。MED12是CDK8-CCnC-MED12-MED13介体蛋白激酶模块的一个组成部分，对CDK8依赖的POL II启动子招募至关重要。MED12的突变降低了CDK8介导的激酶功能，导致转录因子（如STAT1和SMAD）的下调，并上调了干扰素γ反应和上皮-间充质转化相关基因，进而促进了肿瘤的进展。编码CDK7或CDK9的基因发生突变会改变它们的表达量或激酶活性。在最近的一项泛癌研究中，作者报告了不同上皮性肿瘤的非纯合子CDK7拷贝数缺失。然而，这些事件对CDK7激酶活性和POL II转录的功能影响及其对致癌表型的贡献尚未确定。CDK7和CDK9的活性通常是通过各种机制共同作用的，以在不同的肿瘤环境中异常增强POL II的转录起始和延伸（图3A）。值得注意的是，虽然CDK7和CDK9在转录周期的早期阶段对POL II的进展是必不可少的，但也显示出了特异性：在肿瘤细胞中致癌转录因子和融合嵌合体控制的基因以及与肿瘤特异性超级增强子元件相关的基因对CDK7或CDK9的抑制敏感。CDK9-细胞周期蛋白T1复合体P-TEFb的异常募集常常通过与转录激活因子的相互作用而发生。在肿瘤中，依赖于CDK9的转录周期失调通常是由于P-TEFb对致癌转录因子MYC61的靶基因的招募增加而引起的（图3A)。这是通过MYC和P-TEFb之间的物理相互作用来促进的，其中MYC直接招募P-TEFb到转录起始部位近端区域以促进POL II从停顿到延长的转变。依赖于MYC的一系列转录辅助激活因子和染色质重塑因子对其靶基因的招募也间接控制P-TEFb的募集，以促进这些位点上POL II停顿的释放。MYC是所有人类肿瘤中最常见的扩增基因之一，通过一系列遗传和表观遗传机制发生使其基因的表达量升高。MYC表达上调通过多种机制发生，包括：①染色体易位将MYC编码区置于非MYC超增强子元件（例如Burkitt淋巴瘤中的免疫球蛋白重链（IGH）增强子区域）下游；②反复发生扩增事件和MYC相关增强子区域的高乙酰化；③EB病毒衍生增强子RNAS75激活MYC转录。MYC占据了大多数开放启动子和活跃转录基因，MYC表达水平升高的肿瘤表现出整体转录放大，这与MYC结合增加、P-TEFb募集和Pol II的释放有关，从而导致全基因组转录延长的激活。所有MYC靶基因的转录循环是否作为MYC扩增的CON序列受到同等程度的失调尚有争议。MYC驱动的肿瘤转录失调可能有新的转录周期的产生。CDK9活性可以选择性地被扩增，这作为MLL基因（MLL1）的染色体易位事件的结果（图3A）。MLL1重排通常导致与含P-TEFb的SEC成员的融合嵌合体，包括AF4、AF9、ENL和AF10。MLL1重排在婴幼儿血液系统恶性肿瘤中很常见，并与5-10%的成人髓系白血病有关。MLL1融合嵌合体包含MLL1的染色质靶向N末端结构域，推动P-TEFb增强招募到调节造血干细胞识别和自我更新的MLL1靶基因，例如HOXA基因簇（图3A）。因此，MLL1重排的恶性肿瘤表现出明显的CDK9依赖的基因表达程序，具有造血祖细胞的特征。MLL1融合嵌合体也能够通过促进染色质修饰因子，如DOT1L组蛋白甲基转移酶和BET溴域蛋白（bromodomain）BRD4的招募，促进MLL1靶基因的转录。虽然MLL1融合嵌合体驱动的转录周期主要由MLL1结构域的靶基因识别所定义，但这些恶性肿瘤可以精确地依赖于编码肿瘤细胞生长和生存关键调节因子的基因的持续表达，包括MYC、BCL2、MCL1和CDK6。在髓系和淋巴系恶性肿瘤中都报告了MYC基因上SEC和P-TEFb的高结合。这说明促进生长、存活基因之间的转录循环可能因影响P-TEFb招募的基因组改变而失控。在许多肿瘤中都会出现体细胞的CDK12失活突变，包括高级别浆液性卵巢癌、转移性前列腺癌、三阴乳腺癌、胃癌、肠癌和肺癌，因此CDK12被认为是肿瘤抑制基因。CDK12突变包括阻止活性CDK12-CCNK复合体形成的错义突变，以及导致截短和框架外CDK12蛋白的染色体重排、无义和Indel突变。尽管CDK12在调节所有转录周期中的延伸检查点方面发挥作用，但在肿瘤中CDK12活性或表达受损可导致高度选择性的转录异常。CDK12基因失活突变的肿瘤通常表现为“BRCAness”表型，即DNA损伤反应（DDR）和同源重组基因表达减少，以及以全基因组焦点串联复制为特征的基因组不稳定。有趣的是，在CDK12突变的肿瘤细胞中，长基因的转录周期被不成比例地失调（图3B）。有大量的Pol II复合体在这些长基因体中活跃地伸长，从而使长基因的转录周期更容易受到CDK12活性的干扰（图3B）。这与紫外线对长基因诱导的DNA损伤的脆弱性相当，紫外线扰乱了Pol II的加工性和延伸性，导致剩余的Pol II中短转录本的表达增加。CDK12和CDK13之间存在广泛的冗余，用于全局控制Pol II的伸长，这可能解释了为什么CDK12失活突变不会导致跨转录周期的整体伸长缺陷。肿瘤相关的CDK13突变导致转录失调的证据有限。但是有研究报道，CDK13基因被RNA脱氨酶ADAR1过度编辑，导致富含脯氨酸的N末端基序（PRM）附近的氨基酸替换（K96R，Q103R），与肝癌的预后不良相关。CDK13失活突变已在少数人类黑色素瘤样本中被报道，斑马鱼模型中的遗传方法将这些突变与抑制过早转录终止联系在了一起。与肿瘤相关的基因组改变可以间接地使转录周期失调。这些突变总是驱动高度特异基因集转录周期的下游失调，例如控制造血分化和/或增殖的基因（图4）。这种特异性是如何实现的呢？可能有一系列机制起作用。例如：不同蛋白激酶对底物的磷酸化可能定义哪些基因将在响应激活的致癌信号通路时表现出变化（图4）。此外，不同转录因子和表观遗传修饰物的催化功能、蛋白质相互作用结构域和DNA结合域，与它们的表达水平无关，这将影响特定基因的表达（图4）。在不同肿瘤类型中表现出转录周期改变的基因的身份也可能由肿瘤特异性超级增强子的存在来确定。这些顺式元件可以放大核心转录机制的招募，从而促进致癌表型关键基因的表达。这些间接改变在多水平上作用于致癌信号通路下游以及表观遗传调节因子的上游，指导着调节Pol II招募、转录启动，并抑制染色质状态（图2C）。致癌转录因子也可以影响其他转录因子的功能和/或表达，从而扩大在某些恶性肿瘤中不受调控的转录周期谱系。例如，造血转录因子TAL1和RUNX1的活性通常与T细胞和髓系恶性肿瘤的发生和发展有关。这些转录因子作为核心调控网络的一部分，调节严格控制造血分化的基因表达程序。由于染色体重排或体细胞突变，TAL1和RUNX1的表达和/或活性增加，启动了白血病发生中的事件，并从根本上增强了TAL1和RUNX1靶基因的转录周期。T(8；21)染色体重排白血病中的RUNX1-ETO融合嵌合体和急性早幼粒细胞白血病中的PML-RARα融合嵌合体促进造血系基因转录循环的转录因子PU.1、GATA1、GATA2和C/EBPα的异常表达。此外，RUNX1-ETO或PML-RARα招募表观遗传修饰因子，其促进转录激活（p300，PrMT1）和/或抑制（NCoR，SMRT，组蛋白脱乙酰酶）。因此，在特定的恶性肿瘤中，单一的基因变化就可以释放一连串的转录事件，影响不同的但有选择性的转录周期，导致细胞转化。图 4三、其进愈难，而其见愈奇。一直以来，有关肿瘤预防与治疗的研究进展比较缓慢。分子肿瘤学家们一直致力于新的肿瘤药物研发。而如何能够有效靶向转录周期来治疗肿瘤呢？tCDKs小分子抑制剂是这条探索大道上的一种尝试。在单个细胞中有许多活跃的转录周期，每个转录周期都容易受到干扰，恶性表型通常依赖于关键位点的选择性转录失调。重要的是，这种复杂性与盲目地将转录作为抗癌策略的方法相矛盾。因此我们需要仔细考虑如何才能最好地应用靶向转录周期的药物。有效的“转录靶向”需要详细了解单个肿瘤细胞内和不同肿瘤内细胞群体之间转录周期的差异。研究者们利用许多天然化合物靶向转录循环治疗肿瘤。虽然有些药物已经用于临床治疗，但它们作为化疗药物的有效性与其干扰Pol II依赖的转录周期的能力之间的关系尚不清楚。早期的tCDK抑制剂，如SNS-032，DRB，Roscovitine和Huang opiridol等化合物，在探索各种临床前肿瘤模型中的tCDK功能发挥了重要作用。然而这些药物被推广到临床应用时，我们发现它们的治疗窗口其实很窄。随着遗传学方法的进步，tCDKs的小分子抑制剂可以通过去磷酸化Pol II及其相关因子来直接抑制转录周期，阻止转录周期进程和基因转录。tCDK抑制剂可以直接调节致癌转录因子的活性，从而选择性地干扰细胞转录周期。接下来我们将讨论tCDK抑制剂的临床前研究进展。【CDK8和CDK19抑制剂】CDK8可以作为癌基因和肿瘤抑制因子发挥作用，CDK8和CDK19抑制剂用于治疗肿瘤具有高度的上下依赖性。与CDK8和/或CDK19作为Pol II转录基因中介体复合体一部分的分子作用一致，靶向CDK8和/或CDK19会导致中介体控制的转录过程的中断。在AML细胞系中，用皮质抑素A抑制CDK8和CDK19增加了编码IRF1和IRF8等肿瘤抑制基因的超级增强子相关基因的表达（图5A）。在人类结直肠癌异种移植模型中也发现了类似的结果，在该模型中，CDK8和CDK19抑制剂CCT251545和CCT251921导致MED1标记的超级增强子相关基因的抑制。图 5【CDK7抑制剂】基因对CDK7激酶活性的选择性依赖对CDK7抑制剂在肿瘤中的治疗效果至关重要。可能是CDK7在肿瘤特异性超增强元件上的占有率和活性增加（图5A）。CDK7抑制剂具有程序特异性效应，例如干扰乳腺癌中ER依赖的癌基因转录因子的活性。旨在降低雌激素水平或拮抗ER活性的激素疗法已成为ER阳性乳腺癌的一线疗法。在人类乳腺癌异种移植模型中，CDK7抑制剂SY-5609和XL-102与基于激素的一线治疗方案有协同作用，支持将这种组合用于ER阳性乳腺癌（图5B）。ICEC0942、SY-5609和XL-102已经进入晚期实体肿瘤的I-II期临床试验，包括与FULVESTRANT联合用于乳腺癌患者。CDK2、CDK4和CDK6-视网膜母细胞瘤（RB）轴调节E2F活性，E2F活性通过RB和/或CDK抑制剂（如CDKN2A）的缺失而失调。由于CDK2、CDK4和CDK6减弱RB对E2F的抑制作用，抑制CDK1、CDK2、CDK4和CDK6的上游激活剂CDK7就会抑制E2F活性。用共价剂YKL-5-124选择性抑制CDK7，能够降低CDK2的磷酸化以及细胞周期相关和E2F相关基因在慢性粒细胞白血病和小细胞肺癌中的表达。【tCDK9抑制剂】CDK9抑制剂非常适合治疗因MYC扩增或MLL1重排而导致转录失调的肿瘤。CDK9抑制剂KB-0742已经进入晚期实体癌和非霍奇金淋巴瘤的临床试验。【CDK12和CDK13抑制剂】与THZ1联合抑制CDK7、CDK12和CDK13类似，用共价抑制剂THZ531选择性地抑制CDK12和CDK13会降低T-ALL178中超级增强子基因的表达（图5A）。与THZ1不同的是，THZ1降低了Pol II CTD的Ser2、Ser5和Ser7残基的磷酸化，导致Ser2磷酸化的选择性丧失和Pol II延伸的整体损害，以及超级增强子调控的谱系转录因子RUNX1、TAL1和MYB的表达减少，最终导致Jurkat T-ALL细胞在体外的存活率下降。双等位CDK12失活突变可以增加融合诱导的嵌合开放阅读框产生新抗原，促进肿瘤的免疫原性，其特征是T细胞渗透和抗PD1免疫检查点抑制剂治疗的阳性反应，这增加了CDK12和CDK13抑制剂用于临床治疗以提高肿瘤免疫原性的可能性。【选择性“CTD激酶”的抑制剂】通过抑制其他Pol II CTD残基的磷酸化来直接调节Pol II活性的蛋白激酶，可能是针对肿瘤异常转录的另一种途径。激酶的小分子抑制剂，如PAN-PLK抑制剂和GSK3β抑制剂，可能通过靶向调控失调的转录循环而发挥抗肿瘤作用。四、且听风吟，静待花开。目前广泛应用的大部分抗癌药物都是1975年以前开发的，医疗需求和临床转化之间的不平衡激发着无数肿瘤研究者探索新药的热情。作者Ricky Johnstone教授十分看好靶向转录调控联合其他药物用于肿瘤的治疗，这也许是未来的趋势。在肿瘤细胞中失去基因表达的正常转录控制可能是由遗传和表观遗传异常所介导，这些异常扰乱了在单个细胞内和不同细胞群体同时运行的众多转录周期。靶向转录周期的治疗利用了肿瘤的转录成瘾。靶向转录周期的治疗旨在破坏癌基因驱动的转录网络，使基因表达重新正常化。但是考虑到这些药物毒副作用，我们还需要探索一系列额外或替代的治疗途径来靶向肿瘤中的转录失调。近年来靶向转录失调的药物不断壮大，但其中大多数靶向的是药物tCDK和含有溴域的蛋白质的一小部分。因此我们还需要探索其他治疗方式（单一药物或与现有治疗相结合）。使用小分子激动剂或抑制剂对转录磷酸酶活性的治疗调节可能在转录成瘾相关肿瘤中是有效的。通过共靶向不同的tCDK，转录周期调节因子的双重靶向可以通过调节细胞凋亡或其他重要的功能途径，避免对单一药物产生耐药。联合治疗还可以使化合物在比单一药物更低的浓度下使用，从而减轻毒性。联合疗法也有望克服单一疗法的疗效限制。除了CDK12抑制剂和PARP抑制剂的联合治疗外，tCDK抑制剂与传统和新型抗癌疗法的联合治疗已经在临床前进行了探索。CDK9抑制剂已被证明能够使血液肿瘤细胞对BH3模拟物敏感、以及髓母细胞瘤细胞系对顺铂和BRD4抑制敏感。以CDK9和其他非tCDK激酶为靶点的广泛激酶抑制剂也是临床研究的热点：CDK9和Lyn/FYN抑制剂TG02的组合目前正处于针对间变性星形细胞瘤和胶质母细胞瘤患者的I期试验。全基因组CRISPR/CAS9筛查方法和高通量药物筛查可用于确定肿瘤特有的脆弱性和相互依赖关系，这可用于新的联合治疗方法。另一种更有选择性地干扰肿瘤相关转录和限制药物毒性的方法是破坏由tCDK组成的致癌复合体。这些方法旨在选择性地阻断致癌转录调节器之间的相互作用，从而防止一般转录机制的招募。最近，使用靶向抑制剂（SR-0813)或化学降解剂(SR-1114)破坏ENL YEATS结构域也被强调为阻断MLL驱动的转录的机制，在临床前MLL-AML模型中，ENL YEATS选择性抑制剂XL-13M与BET和DOT1L抑制剂有协同作用。这些新的靶向策略是对现有方法的补充，这些方法可以选择性地取代转录调控因子并防止Pol II的招募，或者选择性地靶向关键功能结构域。这些治疗方式允许转录过程的单独调节，而不影响目标蛋白的总细胞活性。通过这种方式，能够有效降低转录干扰的毒性。在细胞中数千个转录循环可能不是简单地以完全独立的方式起作用，而是通过染色质结构或无膜相分离隔室而连接在一起。因此，致癌转录循环的靶向治疗可能同时影响多个循环，这一点可以通过靶向形成相凝聚物或开发优先分配为核凝聚物的小分子抑制剂而加以利用。基因组元件产生依赖关系形成对tCDK的转录反应，但转录后调控机制，如RNA剪接、加工、输出等可能发挥同样重要的作用，并决定着临床治疗结果。mRNA衰退可能使特定的转录本易于受到转录扰动的影响。因此共转录过程可能与直接干扰POL II转录周期的药物一起作为靶点，并可能在抗肿瘤方面产生令人意想不到的治疗效果。共转录事件与POL II转录周期的调节是相互作用的。因此，选择性靶向剪接体或不同的共转录复合体可能提供了另一种不依赖于直接抑制tCDK的方法来干扰转录周期。总结以转录周期为靶点在肿瘤学中作为一种治疗手段具有很大的前景。因此，我们必须进一步了解控制转录周期的分子机制，并确定关键原则，即一个细胞中多个转录周期的单独属性如何与共转录过程一起塑造细胞对扰动发生反应。利用新的技术（如单细胞测序、单分子成像和CRISPR-Cas9基因组编辑等）将加深我们对转录周期调控的理解，使合理设计治疗肿瘤的策略具有重大临床意义。文章信息源于公众号抗体圈，登载该文章目的为更广泛的传递行业信息，不代表赞同其观点或对其真实性负责。文章版权归原作者及原出处所有，文章内容仅供参考。本网拥有对此声明的最终解释权，若无意侵犯版权，请联系小编删除。学如逆水行舟，不进则退；心似平原走马，易放难收。行舟Drug每日更新 欢迎订阅+医药大数据|行业动态|政策解读