靶向KDM4A通过诱导DNA复制应激表观遗传激活肿瘤细胞内在免疫

Targeting KDM4A epigenetically activates tumor-cell-intrinsic immunity by inducing DNA replication stress.

作者信息Wuchang Zhang, Wei Liu, Lingfei Jia, Demeng Chen, Insoon Chang, Michael Lake, Laurent A Bentolila, Cun-Yu Wang
PMID33743195
期刊Mol Cell
发布时间2021-05
DOI10.1016/j.molcel.2021.02.038

实验完整度

包含体外细胞实验(DNA fiber、Comet、免疫荧光等)、体内小鼠模型(4-NQO诱导SCC,结合遗传和药物干预)以及人类样本验证,并涵盖功能验证与机制验证,构成多个独立证据层级。

主要模型

SCC23和SCC1人HNSCC细胞系 4-NQO诱导的自发性小鼠HNSCC模型 Bmi1Cre-ERT2;tdTomato小鼠用于癌症干细胞谱系示踪

重点核对

4-NQO诱导SCC模型(40 μg/ml饮水16周) KDM4A敲除(K14Cre-ERT2;Kdm4af/f)或KDM4i给药方案(8 mg/kg,隔天腹腔注射) DNA纤维实验(CldU和IdU标记) cGAS-STING通路激活检测 抗PD1和抗CXCR3治疗用量(300 μg,腹腔注射)

摘要

Developing strategies to activate tumor-cell-intrinsic immune response is critical for improving tumor immunotherapy by exploiting tumor vulnerability. KDM4A, as a histone H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) demethylase, has been found to play a critical role in squamous cell carcinoma (SCC) growth and metastasis. Here we report that KDM4A inhibition promoted heterochromatin compaction and induced DNA replication stress, which elicited antitumor immunity in SCC. Mechanistically, KDM4A inhibition promoted the formation of liquid-like HP1γ puncta on heterochromatin and stall DNA replication, which activated tumor-cell-intrinsic cGAS-STING signaling through replication-stress-induced cytosolic DNA accumulation. Moreover, KDM4A inhibition collaborated with PD1 blockade to inhibit SCC growth and metastasis by recruiting and activating CD8+ T cells. In vivo lineage tracing demonstrated that KDM4A inhibition plus PD1 blockade efficiently eliminated cancer stem cells. Altogether, our results demonstrate that targeting KDM4A can activate anti-tumor immunity and enable PD1 blockade immunotherapy by aggravating replication stress in SCC cells.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
KDM4A抑制能否以及如何激活肿瘤细胞内在免疫,并改善SCC对PD1阻断疗法的响应?
核心机制
KDM4A抑制促进异染色质压缩和液态HP1γ凝聚体形成,导致DNA复制应激和DNA损伤,激活cGAS-STING信号,诱导I型干扰素和Th1型趋化因子,从而招募CD8+ T细胞。
主要证据
4-NQO诱导的SCC小鼠模型中KDM4A敲除或KDM4i抑制减少肿瘤生长和转移,增加CD8+ T细胞浸润和凋亡;DNA fiber和Comet实验证实复制应激和DNA损伤;cGAS抑制剂和IFNβ中和抗体阻断趋化因子表达;TCGA及人HNSCC样本显示KDM4A扩增与CD8+ T细胞浸润负相关。
研究意义
该研究提出靶向KDM4A可能通过加重复制应激激活肿瘤细胞内在免疫,与PD1阻断联合可能提高难治性HNSCC的免疫治疗疗效。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

体内验证KDM4A缺失对SCC生长和转移的影响

评估KDM4A缺失是否抑制SCC的发生、生长和淋巴结转移。

使用4-NQO诱导的HNSCC小鼠模型,通过K14Cre-ERT2诱导Kdm4a敲除,分析SCC数量、面积、侵袭程度和淋巴结转移。

2

体外验证KDM4A缺失对复制应激和DNA损伤的影响

确定KDM4A缺失是否诱导DNA复制应激和DNA损伤。

通过DNA fiber实验检测复制叉速率和停滞,通过Comet和γH2A.X免疫荧光检测DNA损伤。

3

验证KDM4A缺失诱导液态HP1γ凝聚体形成

探究KDM4A缺失是否促进HP1γ相分离及其与复制应激的关系。

通过免疫荧光检测HP1γ点状结构,进行FRAP和活细胞成像验证其液态性质,并检查HP1γ凝聚体对DNA复制的影响。

4

验证KDM4A缺失激活cGAS-STING信号

确定复制应激是否通过cGAS-STING通路激活I型干扰素和趋化因子表达。

检测KDM4A缺失后胞质DNA积累、STING/TBK1/IRF3磷酸化以及IFNB和CXCL9-11的表达,并使用cGAS抑制剂和IFNβ中和抗体进行功能验证。

5

验证CD8+ T细胞浸润对SCC抑制作用的作用

确认KDM4A缺失诱导的CD8+ T细胞浸润是否介导其抗肿瘤作用。

使用抗CXCR3阻断抗体,观察CD8+ T细胞浸润减少时肿瘤生长和转移的变化。

6

评估KDM4A抑制联合PD1阻断的疗效

评估KDM4i与抗PD1联合治疗对SCC生长、转移和癌症干细胞的影响。

在4-NQO诱导的SCC小鼠中,给予KDM4i和抗PD1治疗,分析肿瘤生长、转移、CD8+ T细胞浸润以及BMI1+ CSC数量。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
他莫昔芬Sigma-Aldrich5648
KDM4抑制剂(QC6352)MedChemExpressHY-104048
抗PD1抗体(克隆29F.1A12)BioXCellBE0273
抗CXCR3抗体(克隆CXCR3-173)BioXCellBE0249
DMEM培养基Thermo Fisher Scientific11995065
Lipofectamine RNAiMAX转染试剂Thermo Fisher Scientific13778150
lentiCRISPR v2载体AddGene52961
CldU(5-氯-2'-脱氧尿苷)Sigma-AldrichC6891
IdU(5-碘-2'-脱氧尿苷)Sigma-AldrichI7125
抗HP1γ抗体Santa Cruzsc-398562
抗PCNA抗体Abcamab92552
DAPIThermo Fisher ScientificP36962
MitoTracker Red CMXRosThermo Fisher ScientificM7512
彗星实验试剂盒Enzo Life SciencesADI-900-166
抗磷酸化组蛋白H2A.X抗体Upstate05-636
Quant-iT OliGreen ssDNA检测试剂盒Thermo Fisher ScientificO11492
Quant-iT PicoGreen dsDNA检测试剂盒Thermo Fisher ScientificP11496
Ru.521AOBIOUSAOB37877
抗IFNβ抗体R&D SystemsMAB814
ALDEFLUOR试剂盒STEMCELL Technologies01700
Pierce BCA蛋白检测试剂盒Thermo Fisher Scientific23227
人CXCL10/IP-10 Quantikine ELISA试剂盒R&D SystemsDIP100
人CXCL11/I-TAC Quantikine ELISA试剂盒R&D SystemsDCX110
TRIzol试剂Thermo Fisher Scientific15596026
KAPA RNA-Seq文库制备试剂盒KAPA Biosystems07960140001
Illumina HiSeq 3000测序仪Illumina--
共聚焦显微镜(SP8-STED)Leica--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
4-NQO浓度、处理时间、小鼠品系和背景
阅读提示:STAR Methods: Mice
KDM4A敲除
他莫昔芬剂量、给药方式、敲除效率
阅读提示:STAR Methods: 4-NQO mouse model
药物处理
KDM4i(QC6352)的剂量、给药途径和频率;抗PD1和抗CXCR3的剂量和频率
阅读提示:STAR Methods: 4-NQO mouse model
DNA fiber实验
CldU和IdU的浓度和标记顺序,细胞处理时间
阅读提示:STAR Methods: DNA fiber assays
胞质DNA检测
OliGreen和PicoGreen浓度、孵育时间、MitoTracker浓度
阅读提示:STAR Methods: Cytosolic DNA imaging and measurement
HP1γ相分离
GFP-HP1γ转染量、FRAP参数(激光强度、漂白时间)、1,6-己二醇浓度
阅读提示:STAR Methods: Fluorescence imaging of live cells and FRAP assay