Glioblastoma stem cells reprogram chromatin in vivo to generate selective therapeutic dependencies on DPY30 and phosphodiesterases.
- 이지우
- 11월 10일
- 3분 분량
Deobrat Dixit, Briana C. Prager, Ryan C. Gimple, Tyler E. Miller, Qiulian Wu, Shira Yomtoubian, Reilly L. Kidwell, Deguan Lv, Linjie Zhao, Zhixin Qiu, Guoxin Zhang, Derrick Lee, Donglim Esther Park, Robert J. Wechsler-Reya, Xiuxing Wang, Shideng Bao, Jeremy N. Rich
Science Translational Medicine, 5 January 2022
Abstract 영문
Glioblastomas (GBMs) are lethal brain tumors containing self-renewing glioblastoma stem cells (GSCs) that initiate and sustain tumor growth. Conventional drug discovery methods relying on in vitro assays often fail to replicate the tumor microenvironment, leading to limited therapeutic success. This study identified the histone methylation regulator DPY30 as a selective in vivo dependency of glioblastoma through genetic screening. Comparative chromatin and transcriptomic analyses between intracranial (in vivo) xenografts and cultured GSCs revealed distinct H3K4me3 patterns, with in vivo–specific enrichment of angiogenesis and hypoxia-associated genes such as FOS, NFκB, and PDE4B. DPY30 knockdown suppressed glioblastoma growth in vivo by impairing angiogenesis and hypoxia pathways but did not affect cultured GSCs. Furthermore, PDE4B was identified as a downstream effector of DPY30, and pharmacologic inhibition with rolipram reduced tumor burden selectively in vivo. These findings demonstrate that DPY30 reprograms the chromatin landscape to regulate tumor-supportive gene expression under hypoxic and angiogenic conditions, establishing the DPY30–PDE4B axis as a promising therapeutic target in glioblastoma.
한글초록요약
교모세포종(Glioblastoma, GBM)은 높은 재발률과 치명률을 가진 악성 뇌종양으로, 종양의 성장과 재발을 주도하는 교모세포종 줄기세포(Glioblastoma stem cells, GSCs)를 포함하고 있음. 본 연구는 종양 미세환경을 재현하지 못하는 기존의 in vitro 기반 약물 스크리닝의 한계를 극복하고자 in vivo 유전자 스크리닝을 통해 히스톤 H3 라이신 4 삼중 메틸화(H3K4me3)를 조절하는 인자인 DPY30을 GBM의 in vivo 특이적 의존성 인자로 규명함. 세포 배양 조건과 뇌 내 이식 모델을 비교한 ChIP-seq 및 RNA-seq 분석 결과, in vivo 환경에서 FOS, NFκB, PDE4B와 같은 혈관신생 및 저산소 관련 유전자들이 H3K4me3에 의해 특이적으로 활성화되었음을 확인함. DPY30 발현 억제는 배양된 GSC의 증식에는 영향을 주지 않았지만, in vivo 종양 성장과 혈관 신생을 유의하게 억제하였음. 또한 하위 표적 유전자인 PDE4B가 DPY30의 주요 조절 인자로 작용하며, PDE4 억제제 Rolipram 처리 시 in vivo 종양 성장이 선택적으로 억제되었음. 결론적으로, DPY30은 저산소 및 혈관신생 환경에서 종양 생존을 돕는 크로마틴 리모델링을 유도하며, DPY30–PDE4B 축이 교모세포종의 새로운 치료 표적으로 제시됨.
한글논문요약
Introduction : 교모세포종(Glioblastoma, GBM)은 성인에서 가장 흔하고 악성도가 높은 원발성 뇌종양으로, 표준 치료법인 수술, 방사선, 화학요법에도 불구하고 낮은 치료 효과를 보이는데, 이는 종양 내에 존재하는 교모세포종 줄기세포(Glioblastoma stem cells, GSCs)가 종양의 재발과 치료 저항성을 유도하기 때문임. 기존의 in vitro 연구는 실제 종양 미세환경(Tumor Microenvironment, TME)의 복잡성을 충분히 반영하지 못하므로, 생체 내에서 종양 생존에 필수적인 인자를 규명하는 데 한계가 있음. TME는 저산소, 혈관신생, 대사 스트레스와 같은 특수한 환경을 제공하며, 이러한 조건은 종양 세포의 유전자 발현 및 후성유전학적 변화를 유도함. 후성유전 조절 인자 중 히스톤 H3 라이신 4 삼중메틸화(H3K4me3)는 전사 활성화와 밀접하게 연관되어 있으며, 이 변형은 DPY30에 의해 조절됨. DPY30은 세포 분화 및 줄기세포 유지에 필수적인 인자로 알려져 있으나, 종양 줄기세포에서의 역할은 명확히 규명되지 않았음. 이에 본 연구는 in vivo 유전자 스크리닝을 통해 DPY30이 교모세포종의 생체 내 성장에 선택적으로 필요한 인자임을 규명하고, DPY30가 교모세포종의 새로운 치료 표적으로 작용할 수 있음을 제시함.
Methods : 본 연구에서는 환자 유래 교모세포종 줄기세포(Glioblastoma stem cells, GSCs)를 이용하여 in vivo와 in vitro 환경에서 DPY30의 역할을 비교 분석하였음. GSC를 마우스의 뇌에 이식해 이식 모델(Intracranial xenograft)을 구축하고, 동일 세포를 세포 배양 조건(Cell culture)에서도 유지하여 두 환경의 유전적 차이를 평가함. 후성유전 조절 인자에 대한 shRNA 스크리닝을 수행하여 생체 내 필수 인자를 탐색하였으며, DPY30 억제 세포를 이용해 종양 형성, 혈관신생, 생존율을 분석하였음. 또한 ChIP-seq과 RNA-seq을 통해 H3K4me3 기반 크로마틴 변화를 확인하였고, PDE4B의 하위 조절 경로를 규명함. 마지막으로 PDE4 억제제 Rolipram을 투여하여 종양 성장 억제 효과를 평가하였음.
Results : 연구 결과, DPY30은 교모세포종의 in vivo 성장에 필수적인 인자로 확인되었음. RNAi 스크리닝에서 DPY30을 억제하면 뇌 내 이식 모델에서 종양 형성이 유의하게 지연되고 부피가 감소했지만, 배양된 GSC에서는 세포 생존이나 구형 형성 능력에 영향을 미치지 않았으며, 이는 DPY30의 기능이 종양 미세환경 의존적임을 시사함. H3K4me3 크로마틴 분석에서는 in vivo GSC에서 5,000개 이상의 새로운 H3K4me3 peak이 발견되었으며, 이는 주로 전사 조절, 저산소 반응, 혈관신생 관련 유전자의 프로모터 부위에 존재했음. 또한, DPY30 억제는 in vivo 종양에서 혈관신생과 저산소 관련 유전자들의 발현을 현저히 감소시켰고, PDE4B, ANGPTL4, PTGIS 등의 발현 저하가 확인되었음. 저산소 조건에서 DPY30 결핍 GSC는 생존율이 급격히 감소하였으며, 내피세포 이동 실험에서도 DPY30 결핍 세포의 조건배양액이 혈관세포 이동을 억제하였음. 또한 DPY30가 저해 된 종양은 혈관 밀도가 유의하게 낮았고, 이는 종양의 산소 공급 및 성장 저하로 이어졌음. 이후, 하위 표적 분석 결과, PDE4B가 DPY30–H3K4me3 축을 매개로 발현이 조절되었으며, PDE4B 억제 또한 in vivo 종양 성장과 생존율을 감소시켰음. 특히 PDE4 억제제 Rolipram 투여 시 뇌 내 이식 모델에서 종양 형성이 억제되고 생존 기간이 연장되었으며, 이는 PDE4B가 DPY30의 주요 기능적 하위 표적임을 입증함. 결과적으로 DPY30은 in vivo 교모세포종 줄기세포에서 후성 유전적 리모델링을 통해 저산소와 혈관신생 관련 경로를 활성화하여 종양의 생존을 유지하며, DPY30–PDE4B 경로가 교모세포종의 새로운 선택적 치료 표적임을 제시하고 있음.
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