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自然遗传学。作者手稿;PMC 2013年5月30日提供。
以最终编辑形式发布为:
2013年5月5日在线发布。 数字对象标识:10.1038/纳克.2628
预防性维修识别码:PMC3667980型
NIHMSID公司:美国国立卫生研究院454835
PMID:23644491

mSWI/SNF(BAF)复合物的蛋白质组学和生物信息学分析揭示了其在人类恶性肿瘤中的广泛作用

关联数据

补充资料

摘要

哺乳动物SWI/SNF复合物的亚单位最近被认为是多种人类恶性肿瘤的抑癌因子。为了了解其参与的全部程度,我们对纯化的内源性mSWI/SNF复合物进行了蛋白质组学分析。我们的研究揭示了在酵母SWI/SNF复合物中未发现的几种新的专用、稳定的亚基,包括Bcl7a、b和c、Bcl11a和b、Brd9和SS18。结合这些新成员,我们确定了最近对原发性人类肿瘤的外显子组和全基因组测序研究中mSWI/SNF亚基突变的频率。令人惊讶的是,44个外显子组测序研究报告的19.6%的人类肿瘤中mSWI/SNF亚基发生突变。我们的分析表明,在特定组织中,特定亚单位可以预防癌症。此外,我们发现多个亚单位的突变在某些癌症中普遍存在,我们将其定义为复合杂合子类型。我们的研究表明,mSWI/SNF是人类癌症中最常见的突变染色质调节复合体(CRC),与其他已知的抑癌基因和被调查的致癌基因相比,mSWE/SNF是广泛突变的,类似于TP53。因此,这些多态性染色质调节复合物的正常功能可能构成人类肿瘤抑制的主要机制。

最近的全基因组测序工作提供了前所未有的基因网络视图,并越来越多地用于识别复杂疾病的生物途径1尤其是,人类癌症的外显子组和全基因组测序研究提供了一个机会,可以重新审视致癌基因电路和网络的贡献,并反复鉴定多态性mSWI/SNF复合物亚单位的突变。在哺乳动物中,mSWI/SNF复合物是由26个基因编码的至少13个亚单位的多态性组合,产生了广泛多样的复合物,在特定组织中具有特殊功能24早期研究表明,在已建立的细胞系中,催化亚单位SMARCA4(BRG1)或SMARCA2(BRM)经常失活。将BRG1重新导入缺乏BRG1/BRM的细胞系会导致Rb依赖性细胞周期阻滞,从而推测它们是肿瘤抑制因子5,6当发现SMARCB1(hSNF5)在恶性横纹肌样肿瘤(一组侵袭性儿童恶性肿瘤)中双基因失活并发生杂合性丢失(LOH)时,有明确证据表明至少有一个mSWI/SNF亚单位确实是肿瘤抑制因子711此外,一些研究报告了SMARCA4、SMARCC1、SMARCD3、PBRM1、DPF2和ARID1A在多种肿瘤类型中的频繁失活,包括乳腺癌、肺癌和结肠癌1219.

我们报告了一项蛋白质组分析和生化研究,以确定各种细胞类型中内源性mSWI/SNF复合物的组成。我们发现了一些额外的mSWI/SNF亚单位,它们在酵母SWI/SNF-复合物中没有同源物。这些数据使我们能够对44个外显子组和基因组测序研究进行综合meta分析,以确定mSWI/SNF突变相对于其他染色质调节因子和已建立的肿瘤抑制因子和癌基因的贡献。我们的分析表明,mSWI/SNF复合物是人类癌症中最常见的突变染色质调节因子,因此证实并扩展了早期遗传学研究的证据。

结果

BCL7A/B/C、BCL11A/B、SS18和BRD9是新的mSWI/SNF复合亚基

我们对包括小鼠ES细胞、成纤维细胞、神经祖细胞和神经元在内的几种主要细胞类型的内源性mSWI/SNF复合物进行了亲和纯化/质谱分析,以更好地确定mSWI/SNF复合体及其相关蛋白的组合组合。本研究使用Brg1-ATPase亚单位C末端特异性抗体进行,从而允许在单一生化步骤后快速纯化复合物4,20我们回收了一些新的蛋白质,包括Bcl7a、Bcl7b和Bcl7c、Bcl11a和Bcl11b,以及SS18和Brd9。这些蛋白质的肽数和覆盖率与已建立的mSWI/SNF复合亚基的肽数及覆盖率相当(图1a). 为了确定这些假定亚单位对mSWI/SNF复合物的贡献程度,我们使用人类T细胞系进行了密度沉降分析。BCL7A/B/C、BCL11A/B和BRD9在甘油梯度中与BRG1和其他mSWI/SNF复合亚基共同沉淀;这些蛋白质与低分子量复合物(如多梳抑制复合物PRC1或PRC2,分别用Bmi1或Ezh2的免疫印迹表示)无关,也不作为游离单体迁移(图1b). 在单独的实验中,我们注意到PBAF组分BAF200和BAF180迁移时具有约4-5 MDa的更大复合体并且只有约10%的这些蛋白质被纳入2个MDa复合物(组分13-15)中,如图1b因此,BCL7A/B/C、BCL11A/B和BRD9是mSWI/SNF复合物的亚单位,而不是PBAF复合物。这与体外定义的PBAF的特殊作用一致。21

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新型mSWI/SNF-like BAF复合物专用亚基的鉴定

(a)通过质谱分析测定的纯化SWI/SNF复合物的组成。所有肽的置信度(蛋白质概率统计)为1.0。如前所述,使用SEQUEST(华盛顿大学)完成蛋白质鉴定4.n.d.=未检测到。(b)CCRF-CEM人T细胞核提取物的甘油梯度沉淀分析表明,Bcl7和Bcl11家族蛋白以及Brd9与mSWI/SNF复合物核心亚基共沉淀。收集0.5ml 10ml 10–30%甘油梯度的级分,并对各种mSWI/SNF蛋白进行蛋白质印迹分析。红色箭头表示具有突出BRG1峰的级分。(c)在抗Brg1免疫沉淀之前,尿素的部分变性范围为0.25M至5M,表明Bcl7和Bcl11家族蛋白以及Brd9是mSWI/SNF复合物成分,必须变性才能从mSWI/SNF复合物质中分离出来。用mSWI/SNF复合物的已建立和假定亚单位特异性抗体通过免疫印迹分析共沉淀蛋白。(d)使用新型抗Bcl7a/b/c抗体和抗Bcl11a/b,Brd 9的相互IP研究也揭示了BAF复合亚单位。(e)包含新亚单位的mSWI/SNF(BAF)复合物的更新模型。

在进行甘油梯度分析所需的16小时离心过程中,亚单位未解离的观察结果表明,复合物是稳定的,亚单位交换相对较少。为了独立评估复合物中新亚单位的稳定性,我们使用尿素变性作为早期研究中用于定义核糖体亚单位的策略。在抗BRG1免疫沉淀(IP)之前,我们将核提取物置于一系列尿素浓度下。值得注意的是,BCL7A/B/C、BCL11A/B和BRD9与mSWI/SNF复合物结合,其稳定性大于或等于大多数已建立的亚基,包括BAF47、BAF155和BAF170(图1c),反映了与核糖体亚单位相似的关联22,23此外,使用新型复合物成员抗体的相互IP揭示了已知的mSWI/SNF成分(图1d). 这些结果确立了BCL7A/B/C、BCL11A/B、SS18和BRD9是mSWI/SNF复合物的专用、不可变亚单位,而不是我们和其他人之前建议的简单相关蛋白,4,24,25(图1e). 因此,必须将这些蛋白质的功能视为mSWI/SNF复合物功能的一个关键方面。

哺乳动物SWI/SNF复合物是人类癌症中变异最严重的染色质调节因子

我们对44项已发表的基因组/外显子组测序研究进行了分析2672将mSWI/SNF亚单位的突变频率与其他CRC家族和已建立的抑癌基因和癌基因的突变频率进行比较。我们确定了上述每个已建立或新的mSWI/SNF亚基中错义、无义或插入/缺失突变的绝对数量和总频率(补充表3)。我们将分析局限于对人类原发肿瘤进行测序的研究,不包括在细胞系上进行的研究。Jones等人的研究(胰腺)27,Parsons等人(胶质母细胞瘤)43,和Wei等人(黑色素瘤)51其中,一些肿瘤样本被扩展为异种移植或培养中的有限传代(补充表2)。每个基因的突变频率计算为突变数除以一项或多项研究中评估的病例总数。频率以分级色阶显示,表示每个mSWI/SNF复合基因对每种癌症类型的相对贡献(图2a). 在适用的情况下,我们显示了根据验证研究计算的频率(图2a,补充表4)。最后,为了共同计算mSWI/SNF复合物的突变频率,我们将任何mSWI/SNF亚单位发生突变的患者数量除以每种癌症类型的总病例数(图2a,底部)。通过平均这些频率,我们发现在所分析的所有癌症类型中,有19.6%的mSWI/SNF发生突变。

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mSWI/SNF复合物亚基在人类癌症中发生高频突变

(a)根据分级色度表显示mSWI/SNF亚单位突变患者的频率。对相同组织/癌症类型的研究进行总结,以获得每个蛋白质的个体频率。新的亚基以红色突出显示。底部:受任何mSWI/SNF亚基突变影响的患者总数相加,以计算mSWI/SNF复合物突变患者的总频率。(b)火山图表示每个评估的外显子组测序研究中最常突变的mSWI/SNF亚基的突变率/BMR和p值。(c)新亚基BCL7A、BCL11A和BCL11B在BMR以上突变的所有研究的突变率/BMR和p值列表。(d)mSWI/SNF亚基的易位通常代表唯一的基因组异常(Mittelman数据库)。

ARID1A公司是mSWI/SNF亚基中最常见的突变,主要发生在实体瘤中。ARID1A公司突变发生在45.2%的子宫内膜样癌和卵巢透明细胞癌、18.7%的胃癌、18.6%的膀胱癌、13.7%的肝细胞癌、9.4%的结肠直肠癌、11.5%的黑色素瘤、8.2%的肺癌、3.6%的胰腺癌和2.5%的乳腺癌中(图2a,补充表4)。为了解决mSWI/SNF亚单位突变是否对特定癌症具有选择性优势,我们将每个亚单位的突变频率与背景突变率(BMR)进行了比较,以解释基因长度(图2b,补充表5,补充文本)。我们使用了每项研究报告的总体非同义BMR,或非同义突变数除以测序碱基总数(如果未报告BMR)。因此,我们的统计分析基于每种肿瘤类型的BMR,并根据基因长度进行了校正(补充表2)。我们发现了SMARCA4系统,ARID1A公司,ARID1B公司,ARID2公司、和PBRM1项目在两种或两种以上癌症类型的研究中,每种癌症都在BMR以上发生了显著突变(SMARCA4系统,p≤1.6e–02;ARID1A公司,p≤1.0e–02;ARID1B公司,p≤4.4e–02;ARID2公司,p≤4.7e–02;PBRM1项目,p≤1.9e–02),这表明这些基因的突变是“驱动”而不是“乘客”遗传损伤(图2b,补充表5)。这些突变率的重要性尤为显著,因为在高通量测序出现之前,ARID1A、ARID1B、ARID2和PBRM1没有被认为是致癌的重要因素。几个核心mSWI/SNF亚单位很少突变,包括SMARCD1/D2/D3,智能电网1,PHF10/DPF1/DPF2/DPF3、和ACTL6A/B系列,与之前的观察结果一致。此外,以前认为亚单位在肿瘤发生中起作用,例如SMARCC1型SMARCC2系统15,73在原发性肿瘤中很少发生突变。新型亚基BCL11B公司BCL7A型在血液恶性肿瘤中经常发生突变(图2c).BCL11B公司在5.7-12.7%的T细胞急性淋巴细胞白血病(T-ALL)中发生突变,并且BCL7A型19.7%的非霍奇金淋巴瘤(NHL)和21.7%的多发性骨髓瘤发生突变(图2a,补充表4)。BCL11B公司BCL7A型在这些癌症中BMR以上发生显著突变(BCL11B公司,p≤2.0e–07;BCL7A型,p≤1.3e–06),表明这些基因的突变和随后的蛋白功能丧失可能驱动肿瘤发生(图2c,补充表5)。

除了血液系统恶性肿瘤的显著突变频率外,我们的生化研究中揭示的几个新亚基还涉及染色体易位,这被认为是导致特定癌症突变的原因。涉及SS18亚基的易位是滑膜肉瘤(SS18-SSX)的标志,在>95%的病例中观察到7476此外,涉及BCL11B的t(5;14)(q35;q32.2)易位在20-25%的儿童和多达5%的成人t-ALL病例中存在,并定义了这种恶性肿瘤的分子亚群62,77.BCL11A也可能是易位伙伴78为了确定这些新的mSWI/SNF亚基的易位对疾病的意义,我们计算了相关易位代表唯一基因组异常的频率,从而得出驱动事件(图2d). 我们分析了BCL11A易位t(2;14)(p13;q32)和t(2)(p16;q32。这些数据表明,mSWI/SNF组分的易位,特别是其中三种蛋白质的易位在本分析中被证明是新的亚单位,对人类癌症中mSWI/SNF亚单位改变的影响有重大贡献。

人类癌症中染色质调节突变的频率

由于mSWI/SNF亚单位专用于mSWI/SNF复合体,并被认为作为单个多亚单位复合体共同发挥作用,因此我们通过考虑mSWI/SNF成分的联合突变频率,包括编码新亚单位的基因,捕获了复合体整体的突变倾向。基于单个亚单位的联合似然,我们将复合物的突变频率表示为相对于BMR的突变频率的最大似然值(图3,补充文本)。44项研究中有26项的总突变频率大于BMR(突变率/BMR=1.0-17.1),包括卵巢、胰腺、肾细胞、肝细胞、膀胱、胃、乳腺、胶质瘤、髓母细胞瘤和血液恶性肿瘤(图3). 在该组的10项研究中,mSWI/SNF显著突变(第页=1.4e–04),卵巢透明细胞(第页=3.6e–08),肾细胞(第页=2.7e–03),肝细胞(第页<0.05),髓母细胞瘤(第页<0.05),急性髓细胞白血病(第页=2.8e–02),伯基特淋巴瘤(BL)(第页≤1.45e–02)],强调mSWI/SNF在预防这些癌症中的潜在保护作用。哺乳动物SWI/SNF复合物在结直肠癌(2项研究中的1项)、头颈部鳞癌、肺癌和黑色素瘤的BMR或BMR以下发生突变(图3). 尽管这些癌症的mSWI/SNF亚单位突变频率很高(图2a),一些病例被认为是过度突变,因此,高BMR可能不准确地掩盖mSWI/SNF在这些肿瘤类型进展中的作用32,4852,6770(补充图1).

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与其他染色质修饰复合物相比,mSWI/SNF复合物在人类癌症中发生突变的频率更高

绘制了mSWI/SNF、TIP60、SRCAP、INO80、ISWI、NURD、PRC1和PRC2复合物37个外显子组测序研究的突变率/BMR。研究编号是指补充表2中列出的出版物。统计上显著的突变率用星号表示。每个复合体名称下的百分比条形图表示该复合体是八个受检复合体中变异程度最高的研究的百分比。

使用类似的统计方法,我们比较了mSWI/SNF复合物与其他几个CRC的突变率,包括TIP60、INO80、SRCAP、NURD、ISWI、PRC1和PRC2(图3,补充文本)。在45.4%的研究中,哺乳动物SWI/SNF是分析的CRC中最常见的突变。在15.9%的研究中,PRC2的突变率最高,这在血液恶性肿瘤NHL、DLBCL、BL和T-ALL中显著,与以前的研究一致7982SWI/SNF-like ATRX/DAXX复合物在儿童多形性胶质母细胞瘤中高度突变83,84和胰腺神经内分泌肿瘤85然而,我们发现它在44项研究中很少发生突变。此外,这些罕见肿瘤中的mSWI/SNF亚单位没有突变,这表明ATRX/DAXX突变是孤立的,并且与mSWI/SNF突变相互排斥(数据未显示)。我们的分析表明,mSWI/SNF复合物在人类癌症中比其他CRC具有更高的突变率,这表明了它们在肿瘤抑制中的作用的特定机制。

染色质修饰物,如HDAC和MLL家族以及EP300也与癌症密切相关86因此,我们将每项研究中最频繁突变的mSWI/SNF亚基的突变率与最频繁突变的MLL基因的突变率进行了比较(MLL1-MLL5型)是HDAC基因中最常见的突变(HDAC1-HDAC11型),或至EP300(图4,补充表6)。我们表示每个染色质修饰体相对于mSWI/SNF亚单位的突变频率比率,因此比率<1表示mSWI/SNF基因的峰值突变频率高于染色质修饰物;比率>1表明染色质修饰体的突变频率较高(图4). 除了少数例外,与其他染色质修饰物相比,mSWI/SNF亚基的突变频率更高,这些修饰物在肿瘤发生中起着重要作用。与MLL相比,mSWI/SNF突变发生率的增加在研究中具有统计学意义,分别为36.3%、25%和34.1%(第页≤4.0e–02),HDAC(第页≤3.8e–02)和EP300(第页≤1.76e–02),表明mSWI/SNF扰动在人类癌症发展中起主要作用。

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mSWI/SNF亚单位比EP300、MLL和HDAC家族蛋白更容易发生突变

在每项研究中,绘制了EP300的突变频率比率,EP300是最高突变的MLL家族成员或最高突变的HDAC成员,与最频繁突变的mSWI/SNF亚基相关。比值<1表明mSWI/SNF基因的峰值突变频率高于染色质修饰体;该比值>1表明染色质修饰体的突变频率较高。统计显著的比率有利于mSWI/SNF(比率小于1)。

已知抑癌基因和癌基因mSWI/SNF突变频率和模式的比较

为了进一步评估mSWI/SNF复合物潜在抑癌功能的相对影响,我们将已建立的抑癌基因和癌基因的突变率与每项研究中最频繁突变的mSWI/SNF亚单位进行了比较(图5a、b). 我们选择了TP53、PTEN、CDKN2A、PIK3CA、KRAS、和CTNNB1公司基于其抑癌和致癌功能的确凿证据进行比较。我们将分析局限于非同义编码突变,不包括缺失或扩增。值得注意的是,mSWI/SNF亚单位的突变范围更广,跨越不同组织来源的多种恶性肿瘤,而非任何其他分析过的肿瘤抑制因子或癌基因TP53型这里分析的肿瘤抑制因子和致癌基因在特定癌症中发生高频率突变,而不是跨多种肿瘤类型。例如,PTEN公司在浆液性卵巢癌和胶质瘤中,mSWI/SNF亚基的突变程度高于最常见的mSWI/SNF亚单位,CDKN2A型在黑素瘤、胰腺癌、肺癌和鳞状细胞癌中变异更高,PIK3CA公司在结肠直肠癌、乳腺癌和头颈部鳞状细胞癌中,克拉斯结直肠癌、肺癌和胰腺癌,以及CTNNB1公司肝细胞癌和髓母细胞瘤(图5a、b). 这些特征突出了这些肿瘤抑制因子和致癌基因在驱动特定癌症方面的特异性;相比之下,mSWI/SNF亚基基因在一系列癌症中发生了显著突变(图3)这表明肿瘤抑制在保护基本细胞功能方面具有广泛作用。

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mSWI/SNF亚基突变发生在广泛的癌症类型中

The ratio of the mutation frequency of the(a)肿瘤抑制因子TP53、PTEN和CDKN2A,以及(b)癌基因PIK3CA、KRAS和CTNNB1与最常突变的mSWI/SNF亚单位相关。比值<1表明mSWI/SNF基因的峰值突变频率高于抑癌基因/癌基因;该比值>1的值表明抑癌基因/癌基因的突变频率较高。显示了具有统计意义的比率。

mSWI/SNF亚基的复合杂合性出现在某些癌症类型中

虽然原型肿瘤抑制因子经常发生LOH,但从原发性肿瘤中分析的许多mSWI/SNF亚基突变被发现是杂合的28,63我们假设多个mSWI/SNF亚单位的杂合突变可能导致复合杂合表型,因为复合物中mSWI/SNF亚基的专一性,并可能解释为什么许多肿瘤没有单一亚单位的纯合失活。我们分析了任何mSWI/SNF亚单位突变或缺失>1的患者,发现高达50%(平均值=14.3%)的患者在某些癌症类型中表现出复合杂合性(图6a). 我们观察到鳞状细胞癌(50%)、肾细胞癌(28%)和透明细胞卵巢癌(25%)中这种现象的发生率特别高。虽然超过三分之一(36.8%)的复合杂合子患者中有一个或多个突变发生在ARID1A公司(图6a). 多个mSWI/SNF亚单位突变患者的患病率表明,复合杂合子可能具有显著的功能影响,这可能导致人类恶性肿瘤。此外,由于这些研究中经常没有报告相邻正常组织中存在的突变,我们的数据可能低估了复合杂合子的频率。

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人类癌症中mSWI/SNF突变的共现性

(a)所有mSWI/SNF亚单位突变或缺失的患者资料均来自提供此信息的研究(研究编号列在癌症类型之后)。超突变患者用#符号标记。显示mSWI/SNF亚基中<1突变的患者数量、1突变、总病例数和复合杂合子患者的频率。(b)所有具有1个以上肿瘤且TP53突变的研究的mSWI/SNF突变和TP53突变共同出现在欧拉图中,与总病例数对比。

mSWI/SNF亚基突变通常与TP53突变互斥

我们评估了mSWI/SNF突变与其他已知致癌或抑癌途径的突变同时发生的频率,以确定在mSWI/SNF亚单位突变的情况下,哪些途径足以引起转化。例如,ARID1A公司突变被证明是相互排斥的TP53型突变,但与PIK3CA公司CTNNB1公司卵巢透明细胞癌的突变28,63.我们计算了TP53型以及最高度突变的mSWI/SNF亚单位,即ARID1A、SMARCA4,或ARID2公司,在实体瘤中(图6b). 尽管mSWI/SNF亚单位和TP53型并不是严格的相互排斥,在结肠直肠(优势比,OR=0.217)、卵巢透明细胞(OR=0.077)、胃(OR=0.215)、肝细胞(OR=0.544ARID1A公司,OR=0.341ARID2公司)髓母细胞瘤(OR=0.493)和乳腺癌(OR=0.594),这对结直肠癌具有统计学意义(OR=0.217,95%CI=0.07-0.68,第页=0.0043)和胃(OR=0.215,95%CI=0.091–0.51,第页=0.0002)癌症。相比之下,所有患有ARID1A公司浆液性卵巢癌、胶质瘤和鳞状细胞癌或SMARCA4系统胰腺癌的突变在TP53型可能反映了TP53在这些癌症中失去功能的要求(图6b). 这种二分法也可能反映出这样一个事实:ARID1A公司mSWI/SNF在这些癌症中没有显著突变,这表明这些突变仅仅是TP53司机突变的乘客突变(补充表5,图3). 尽管患者队列有限,但我们同样观察到mSWI/SNF亚单位和PTEN公司结直肠癌和浆液性卵巢癌倾向于相互排斥,这对ARID1A公司PTEN公司结直肠癌(OR=0.303,95%CI=0.110–0.838,第页=0.0121) (补充图2). 相反,mSWI/SNF亚单位突变似乎与某些癌基因的突变同时发生。ARID1A公司CTNNBI公司大肠杆菌共有突变(OR=4.545,95%CI=1.326–15.58,第页=0.0283)和肝细胞癌(OR=2.667,95%CI=1.075–6.618,第页=0.0306),以及SMARCA4系统CTNNBI公司髓母细胞瘤中同时发生突变(OR=8.819,95%CI=3.431–22.67,第页<0.0001),与观察结果一致SMARCA4系统CTNNB1和MYC存在突变,但SHH驱动的髓母细胞瘤不存在突变(补充图2)46,87类似地,突变为ARID1A公司PIK3CA公司如前所述,卵巢透明细胞癌中有一对(OR=7.000,95%CI=1.590–30.81,第页=0.0106)28在结直肠癌和乳腺癌中有重叠(补充图2). 因此,mSWI/SNF复合物突变对肿瘤发生有重要贡献,我们证明其独立于肿瘤抑制因子TP53和PTEN的丢失,并可能与癌基因如CTNNB1和PIK3CA合作。

讨论

我们对几种非转化细胞类型中的内源性mSWI/SNF复合物进行了全面的蛋白质组学和生物化学分析,这有助于对人类癌症中mSWI/SNF成分的突变频率进行完整的生物信息学评估。鉴定mSWI/SNF复合物成分的工作通常使用转化细胞系中过度表达的标记蛋白,这会干扰化学计量关系。我们的研究使我们能够准确地确定内源性mSWI/SNF复合物的亚单位组成,揭示了一些新的亚单位以及缺乏亚单位专用、不可变特征的相互作用蛋白质。我们发现mSWI/SNF复合物与核糖体具有大致相同的稳定性22,88,89使用脲基变性方法。因此,BCL7A/B/C、BCL11A/B、BRD9和SS18的功能类似于已建立的mSWI/SNF亚单位,应在mSWI/SNF复合功能的背景下考虑。有趣的是,这些亚基以及ARID1A/1B/2、PHF10、DPF1/2/3、PBRM1(BAF180)、β-肌动蛋白和SMARCE1(BAF57)不存在于酵母SWI/SNF复合物中,尽管在酵母RSC和SWR1复合物中发现了与PBRM1、SMARCE1和β-肌动蛋白同源的蛋白质90,91因此,它们可能执行一些与染色质调节进化更新策略相关的功能,例如mSWI/SNF复合物靶向、多梳介导的阻遏或DNA甲基化的更大复杂性/特异性。与酵母SWI/SNF相比,这些差异导致我们将复合物称为BAF,而不是mSWI/SNF,以防止不适当的推断92,93然而,这里我们根据常见用法使用mSWI/SNF。

我们的蛋白质组研究对44个全基因组和外显子序列研究中的肿瘤mSWI/SNF突变频率进行了全面检查。在大多数研究中,哺乳动物SWI/SNF复合物在BMR以上发生突变,涉及广泛的实体肿瘤和血液肿瘤。然而,也有一些肿瘤类型中mSWI/SNF经常发生突变,但由于患者数量不足和过度突变而没有达到显著性。然而,该分析中发现的mSWI/SNF参与的广度是惊人的,并且类似于TP53,尽管频率较低,这表明mSWI/SNF通过基本的细胞生物学功能防止肿瘤发生。

从我们的分析中得出的第二点是,特定亚基的功能可以保护特定组织免受恶性肿瘤的侵袭。一个亚单位相对于其多态性伴侣的优势示例表明,某些复杂组合发挥mSWI/SNF的肿瘤抑制作用。例如,ARID1A、ARID1B和ARID2是在复合物中占据一个位置的相互排斥的亚单位,并且在不同的癌症类型中以不同的频率发生突变。类似地,SMARCA4和SMARCA2具有相似的ATP酶活性,但SMARCA3在癌症中很少发生突变,而SMARCA6似乎是第二常见的突变亚单位(图2a). 细胞环境似乎也起着重要作用;例如,尽管SMARCA4广泛表达,但SMARCA4s的突变只发生在特定的癌症类型中。同样,BCL11B和BCL7A在血液恶性肿瘤中发生突变,但在实体肿瘤中很少发生突变。有趣的是,仅在有丝分裂后神经元(nBAF)中发现的特殊mSWI/SNF复合体的亚单位,9496在所有被检查的癌症中很少发生突变。最后,SMARCB1(hSNF5)在几乎所有恶性横纹肌样肿瘤中都是双基因失活的,但在其他癌症类型中很少突变97,98这表明复合物在肿瘤抑制中的广泛作用可能与不同组织中不同多态性组合的特定功能有关。

目前,对于多态性复合物中单个亚基的功能了解甚少。一般认为,ATP酶亚基的功能是促进核小体迁移,PHD结构域、溴结构域、染色结构域和DNA结合结构域的功能是将复合体靶向特定的遗传位点,但这一点尚未得到最终证明。新亚单位BCL11A和BCL11B是含锌指转录阻遏物,对红系和淋巴系的发育至关重要,99,100而对SS18或BCL7家族成员的功能知之甚少。由于已知mSWI/SNF通过结合基因组上约15000个岛屿直接抑制转录101可以推测,异常染色质结合、靶向错误或ATP酶活性丧失可能是不同mSWI/SNF亚单位在人类恶性肿瘤中的作用的基础。另外,Roberts等人证明hSNF5的缺失会导致PRC2介导的对细胞增殖关键阻遏物的抑制增强,如INK4A/ARF公司102EZH2/hSNF5双突变体完全从hSNF5驱动的肿瘤发生中解救出来,强烈暗示mSWI/SNF驱逐或对抗PRC2的能力。事实上,Smarca4的缺失也导致小鼠ES细胞中PRC2结合和H3K27me3沉积在mSWI/SNF结合位点的总体增加101.

基于特定性质的mSWI/SNF复合亚基,我们假设一个亚基中的乘客杂合突变与另一个亚单位中的杂合突变配对可能导致mSWI/SNF肿瘤抑制功能丧失。我们认为这是一种复合杂合性。例如,我们发现许多肿瘤的ARID1A或SMARCA4驱动突变与一个罕见突变的亚单位的突变配对(图6a). 使用MutationAssessor平台,我们发现大多数乘客突变被预测为有害的,因此在复合杂合性的背景下,可能会进一步禁用mSWI/SNF复合物(补充图3)。这些突变配对可能会导致一种独特的功能丧失,或者它们对细胞的危害较小,从而被选为ARID1A或SMARCA4纯合失活。增加样本量将有助于确定mSWI/SNF复合杂合性是否是肿瘤发生的驱动机制,并确定致癌配对。

我们的研究支持先前表达的观点,即mSWI/SNF亚单位是抑癌基因而不是癌基因5,7事实上,mSWI/SNF突变通常不包括TP53和PTEN突变,这表明mSWI/SNF在肿瘤抑制中具有类似的作用(图6b,补充图2). 然而,mSWI/SNF亚单位的特定突变或易位可能产生获得功能特性,从而导致特定的mSWI/S91NF复合物致癌。未来的研究将有必要确定人类癌症中mSWI/SNF亚基频繁突变的机制。尽管抑癌药物通常被认为是难以治疗的靶点,但详细的机制研究可能阐明治疗这类广泛人类癌症的意想不到的途径。

材料和方法

亲和纯化和质谱

针对hBrg的aa1257–1338培养的兔多克隆抗体可识别小鼠Brg和Brm,用于从E14 ES细胞获得的核提取物进行亲和纯化。在300 mM NaCl、50mMTris-HCl(pH 8.0)、1%Nonide P-40、0.5%脱氧胆酸盐、0.1%十二烷基硫酸钠、1 mM DTT中进行内源性复合物的免疫沉淀。通过强阳离子交换进一步分离纯化的配合物,并在LTQ-Orbitrap(Thermo Scientific)上分析组分。通过使用SEQUEST(华盛顿大学)对照小鼠IPI数据库版本3.34搜索获得的质谱来鉴定肽。使用PeptideProphet对肽鉴定进行统计学验证,并使用ProteinProphet进行蛋白质推断,ProteinProphet可作为TransProteomic Pipeline的一部分获得(2)。使用0.95概率阈值或其他规定(估计错误率小于1%)过滤每个分析中的蛋白质识别列表。从最终列表中减去控制运行中确定的所有蛋白质和其他已知污染物。

ES核提取物的制备

CCRF-CEM T细胞白血病细胞在标准条件下生长以汇合,并在缓冲液A(10 mM Hepes(pH 7.6)、25 mM KCl、1 mM EDTA、10%甘油、1 mM-DTT和蛋白酶抑制剂(添加1 mM PMSF的完整迷你片(罗氏))中溶解和均质。通过离心(1000×),重新悬浮在缓冲液C中(10 mM Hepes(pH 7.6)、3 mM MgCl2、100 mM KCl、0.1 mM EDTA、10%甘油、1 mM DTT和蛋白酶抑制剂),并通过添加硫酸铵进行溶解,最终浓度为0.3 M。通过超速离心(100000×)用0.3mg/ml硫酸铵在冰上沉淀20min。通过超速离心(100000×)再悬浮在IP缓冲液(150 mM NaCl、50 mM Tris-HCl(pH 8.0)、1%NonidetP-40、0.5%脱氧胆酸盐、1 mM DTT、1mM PMSF和蛋白酶抑制剂)中进行免疫沉淀分析或HEMG-0缓冲液(25mM HEPES(pH 7.9)、0.1mM EDTA、12.5mM MgCl2、100mM KCl,补充新鲜DTT和PMSF)中进行甘油梯度分析。

密度沉降分析

将800 ug上述CCRM-CEM T细胞核提取物重新悬浮在300微升0%甘油HEMG缓冲液中,该缓冲液含有25mM HEPES,pH 7.9,0.1mM EDTA,12.5mM MgCl2,100mM KCl,使用前新鲜补充DTT和PMSF,并小心地覆盖在10ml 10-30%甘油上(在HEMG缓冲器中)梯度在14×89 mm聚异氰酸酯离心管中制备(Beckman,零件号331327)。将管子放置在SW-40摆动叶片转子中,并在4度下以40000 RPM的转速离心16小时。采集0.5 ml组分,用于凝胶电泳和随后的western印迹分析。

SWI/SNF复合物突变的比对

在发现筛查中搜索mSWI/SNF、TIP60、SRCAP、INO80、ISWI、NURD、PRC1和PRC2亚单位(补充表3中列出的完整术语集)、TP53、MLL1-5、HDAC1-11、EP300、PIK3CA、PTEN、KRAS、CTNNB1和CDKN2A的突变。对于每个基因,将mSWI/SNF亚单位突变的患者数量相加,以计算mSWI/SNF复合物突变的患者频率。对相同组织/癌症类型的研究进行总结,以获得每个蛋白质的个体频率。在验证筛选中进一步评估特定基因的情况下,计算这些筛选的频率并在表中表示。如果一名患者的mSWI/SNF亚基蛋白存在1个以上突变/缺失,则该患者被视为复合杂合子。

换位

Mitelman数据库中携带特定易位的患者数量通过以下方法确定http://cgap.nci.nih.gov/染色体/AbnCytSearchForm在这些患者中,对那些感兴趣的易位是唯一异常的患者进行了总结。

统计

补充文本中提供了统计方法的全部细节。简单地说,通过假设一致的潜在突变频率,将单个基因的突变频率与BMR进行比较。对数似然比测试是通过比较一个基因与BMR的最大似然突变频率来进行的。基因组与其他基因组是通过类似的方法来比较基于经验突变频率获得的基因组的联合最大似然变异频率。

补充材料

01

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致谢

这项工作得到了NIH拨款NS046789(G.R.C.)和CA163915(G.R.C)的部分支持。G.R.C.是霍华德·休斯医学研究所的研究员。C.K.由国家科学基金会(研究生研究奖学金计划)资助。D.C.H.由Helen Hay Whitney基金会奖学金资助。C.H.由尤妮斯·肯尼迪·施莱弗国家儿童健康和人类发展研究所F32HD072627资助。

脚注

贡献C.K.进行并解释了实验。D.C.H.和C.H.进行了基因组数据分析和解释。L.E.、L.H.和J.R.进行蛋白质组质谱数据收集和分析。C.K.、D.C.H.和G.R.C.构思并撰写了这份手稿。

竞争性金融利益作者声明没有竞争性的经济利益。

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