Nature： PIK3CA突变通过上调神经元兴奋性促进神经胶质瘤形成

来源：BioArt

撰文 | 雪月

在对所有类型的肿瘤的体细胞突变谱进行分类的过程中，肿瘤基因组学的高速发展让我们发现了多种类型的突变【1】。这些关键的进展有望开创精准医学的新时代。精准治疗中，将患者特定的基因组信息应用于临床，指导治疗。因为并非所有突变都会影响到恶性肿瘤，而其他突变则在特定的环境中表现出特定的功能，因此实现这一目标的一个主要障碍是筛选出其中的驱动基因的关键性突变。热点突变（hotspot）代表了驱动基因的关键的突变，这些突变以高频率发生，并会在不同类型的癌症中发现。尽管该方法被广泛接受，但该方法忽略了其他大多数突变，并且至关重要的是，这些研究并未阐明细胞的功能如何受到热点突变的影响。相关突变体是否对肿瘤和微环境都产生显著影响仍然未知。

胶质母细胞瘤是一种致死率较高的脑部肿瘤，胶质母细胞瘤会表现出一系列病理生理表型，其中许多是通过与神经元微环境的相互作用介导的。最近的研究表明，神经元活性的增加在胶质母细胞瘤的增殖和发展中具有重要作用。胶质母细胞瘤和神经元之间是否存在相互作用的问题仍然不清楚，这些肿瘤如何重塑神经元微环境以增强活性的机制也尚不清楚。

2020年1月30日，美国贝勒医学院的Benjamin Deneen课题组在Nature上发表了题为PIK3CA variants selectively initiate brain hyperactivity during gliomagenesis的文章。该文章使用胶质母细胞瘤的自发小鼠模型，开发了高通量的体内筛选平台，并发现了PIK3CA的几种关键性的突变体。这些突变体通过增加Glypican（GPC）的分泌，改变肿瘤微环境，上调神经元兴奋性以及促进增殖，从而驱动肿瘤形成。

RTK–RAS–PI3K途径是多种肿瘤发生的关键驱动力，其中90％的胶质母细胞瘤肿瘤会表现出这种途径的改变【2】。胶质母细胞瘤样本的测序揭示了一些已知的热点突变，这些突变会驱动多种类型的肿瘤发生。还有其他存在的63个编码区内突变未分类。为了解这些PIK3CA突变体中哪些充当胶质母细胞瘤的驱动因素，作者建立了胶质母细胞瘤的筛选平台。作者首先选用小鼠胶质母细胞瘤模型：依靠子宫内电穿孔（IUE）和CRISPR–Cas9介导的Nf1，Trp53和Pten（称为“ 3xCr”）的敲除，其中50％的小鼠在出生后一天就死于肿瘤。去除Pten的引导RNA的小鼠（称为“ 2xCr”）的中位生存期延长。在神经胶质瘤形成之后，作者在2xCr模型中使用了针对肿瘤的DNA靶向序列筛选策略，作为肿瘤内突变体富集的替代物。筛选发现了已建立的PIK3CA热点（E545K和H1047R）以及其他在胶质瘤中尚未发现的突变体（R88Q和C420R）都在肿瘤内得到了富集。为了确认这些突变体的特定功能，作者在2xCr模型中分别表达了这些突变体，发现它们均能弥补PTEN敲除的缺失并促进肿瘤发生，同时在病理特征上也类似于胶质母细胞瘤。这些数据表明作者的方法可以确定胶质瘤中的已经鉴定的热点突变以及新的PIK3CA驱动突变体。

通过检测发现在这些突变中C420R和H1047R突变体表现出PI3K高活性，也具有较强肿瘤驱动力，而E545K R88Q 和M1043I突变体则表现出较少的激活作用。利用转录组测序发现C420R突变的表型为一个亚组的突触基因表达被抑制，而H1047R突变体的表型为另外一组突触基因表达明显上调。接下来作者利用PDX模型同时用EEG评估了神经过度兴奋性，发现H1047R的小鼠表现出癫痫的早期发作，突变体通过细胞自主机制促进大脑高兴奋性。而C420R的小鼠则表现出兴奋性网络的早期发作，并且此突变通过细胞非自主机制促进大脑高兴奋性。利用TCGA数据库分析发现人胶质母细胞瘤中的Glypican 3 (GPC3) 在高级别的胶质母细胞瘤中高表达。GPC3由胶质细胞分泌，促进神经元生长以及兴奋性【3】。作者发现C420R突变体会驱动GPC3表达增加。实验证明GPC3能够促进胶质母细胞瘤的发生发展，操纵神经元微环境，从而加速神经元过度兴奋以及癫痫发作。

这项研究将特定的突变体与神经胶质母细胞瘤的表型联系在一起。PIK3CA突变体通过GPC3调控肿瘤微环境，促进早期肿瘤发生过程中突触形成来刺激神经元活动，并与神经元一起协调神经网络过度兴奋性和增殖。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1952-2

参考文献

1. Chang, M. T. et al. Identifying recurrent mutations in cancer reveals widespread lineage diversity and mutational specificity. Nat. Biotechnol. 34, 155–163 (2016).

2. Samuels, Y. et al. High frequency of mutations of the PIK3CA gene in human cancers. Science 304, 554 (2004).

3. Venkatesh, H. S. et al. Neuronal activity promotes glioma growth through neuroligin-3 secretion. Cell 161, 803–816 (2015).