通过计算遗传网络揭示KMT2D肿瘤抑制基因的功能关联和癌细胞脆弱性

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肿瘤抑制基因 KMT2D 遗传网络 合成致死 WRN抑制剂

学术背景与问题提出

肿瘤抑制基因（Tumour Suppressor Genes, TSGs）的功能丧失（Loss-of-Function, LOF）突变在癌症中非常常见，但由于这些突变导致蛋白质功能的丧失或减弱，传统的药物靶向策略难以直接针对这些突变。因此，研究人员需要开发新的方法来揭示这些突变带来的细胞脆弱性，并寻找潜在的治疗靶点。KMT2D 是一个在多种癌症中频繁发生突变的肿瘤抑制基因，其功能丧失突变与多种癌症的发生和发展密切相关。然而，KMT2D 的功能网络及其在癌症细胞中的脆弱性尚未得到全面研究。

本文的研究旨在通过计算模拟的方法，绘制 KMT2D 的遗传网络，揭示其功能关联和癌症细胞的脆弱性，特别是通过合成致死（Synthetic Lethality, SL）相互作用，寻找潜在的治疗靶点。合成致死是指两个基因同时失活会导致细胞死亡，而单独失活其中一个基因则不会影响细胞存活。通过这种方法，研究人员可以找到与 KMT2D 功能丧失突变相关的脆弱性，从而为癌症治疗提供新的思路。

论文来源与作者信息

本文由 Yuka Takemon 等人撰写，作者来自多个研究机构，包括加拿大不列颠哥伦比亚癌症研究中心（BC Cancer Research Centre）、加拿大基因组科学中心（Genome Sciences Centre）等。论文于 2024 年发表在《Genome Medicine》期刊上，题为《Mapping in silico genetic networks of the KMT2D tumour suppressor gene to uncover novel functional associations and cancer cell vulnerabilities》。

研究流程与方法

1. KMT2D 基因敲除细胞系的构建

研究人员首先构建了 KMT2D 基因敲除的 HEK293A 细胞系（KMT2DKO），使用锌指核酸酶（Zinc Finger Nucleases, ZFNs）技术靶向 KMT2D 基因的第 39 外显子，成功获得了 KMT2D 功能丧失的细胞系。通过免疫印迹和测序验证了敲除效果。

2. 染色质免疫共沉淀-质谱分析（ChIP-MS）

为了研究 KMT2D 的蛋白质相互作用网络，研究人员进行了染色质免疫共沉淀-质谱分析（ChIP-MS）。通过 SILAC（Stable Isotope Labeling by Amino acids in Cell culture）标记技术，研究人员比较了 KMT2D 野生型和敲除细胞系中的蛋白质相互作用，鉴定了 532 个与 KMT2D 相互作用的候选蛋白质。

3. 遗传网络的计算模拟

研究人员使用自开发的软件工具 GRETTA，基于癌症依赖性图谱（DepMap）中的 CRISPR-Cas9 敲除筛选数据，绘制了 KMT2D 的遗传网络。通过分析 739 个癌症细胞系中的 18,333 个基因的敲除效应，研究人员鉴定了与 KMT2D 功能丧失突变相关的合成致死（SL）和缓解致死（Alleviating Lethality, AL）相互作用。

4. 数据分析与候选基因筛选

研究人员通过差异致死性分析，筛选出了 4396 个遗传相互作用（GIs），并根据统计显著性和药物可靶向性对这些候选基因进行了优先级排序。最终，研究人员确定了多个潜在的合成致死靶点，包括 MDM2、TUB1B、NDUFB5 和 WRN 等。

主要研究结果

1. KMT2D 的遗传网络揭示了与组蛋白修饰、代谢和免疫反应相关的功能

通过遗传网络分析，研究人员发现 KMT2D 的功能丧失突变与组蛋白修饰、代谢和免疫反应相关的基因存在显著的相互作用。特别是，研究人员预测 WRN 是一个新的合成致死靶点，并通过实验验证了 KMT2D 突变状态显著区分了对 WRN 抑制剂敏感的微卫星不稳定（MSI）细胞系和不敏感的细胞系。

2. KMT2D 的蛋白质相互作用网络揭示了与 DNA 复制和修复相关的功能

通过 ChIP-MS 分析，研究人员发现 KMT2D 的蛋白质相互作用网络显著富集了与 DNA 复制和修复相关的功能。这些结果表明，KMT2D 不仅在组蛋白修饰中发挥作用，还可能参与维持基因组稳定性。

3. 合成致死靶点的发现与验证

研究人员通过计算模拟和实验验证，确定了多个潜在的合成致死靶点，包括 MDM2、TUB1B、NDUFB5 和 WRN。这些靶点编码的蛋白质已有现有的治疗药物或正在开发的药物，表明它们可能是 KMT2D 功能丧失突变癌症的潜在治疗靶点。

研究结论与意义

本研究通过计算模拟和实验验证，揭示了 KMT2D 功能丧失突变在癌症细胞中的脆弱性，并提出了多个潜在的合成致死靶点。这些发现为开发针对 KMT2D 突变癌症的新疗法提供了重要的理论依据。特别是，WRN 作为一个新的合成致死靶点，可能为微卫星不稳定（MSI）癌症的治疗提供新的方向。

研究亮点

  1. 新颖的研究方法：本研究通过计算模拟和实验验证相结合的方法，系统地绘制了 KMT2D 的遗传网络，揭示了其功能丧失突变在癌症细胞中的脆弱性。
  2. 合成致死靶点的发现：研究人员发现了多个潜在的合成致死靶点，特别是 WRN，为微卫星不稳定（MSI）癌症的治疗提供了新的思路。
  3. 广泛的应用前景：本研究不仅为 KMT2D 突变癌症的治疗提供了新的靶点，还为其他肿瘤抑制基因的功能丧失突变研究提供了方法学参考。

总结

本研究通过计算模拟和实验验证，系统地揭示了 KMT2D 功能丧失突变在癌症细胞中的脆弱性，并提出了多个潜在的合成致死靶点。这些发现为开发针对 KMT2D 突变癌症的新疗法提供了重要的理论依据，具有广泛的科学和应用价值。