KDM3B通过抑制H3K9me2上调TrkA促进结直肠癌神经侵袭的机制研究

《iScience》：KDM3B promotes neural invasion in colorectal cancer through TrkA upregulation by inhibiting H3K9 dimethylation

本研究针对结直肠癌(CRC)神经侵袭(NI)导致患者预后差的难题，通过蛋白质组学发现组蛋白去甲基化酶KDM3B在NI样本中高表达。机制研究表明KDM3B通过抑制H3K9me2上调神经营养因子受体TrkA，促进NGF-TrkA结合激活MAPK/PI3K通路，从而驱动CRC神经侵袭。该研究为KDM3B作为预后生物标志物和治疗靶点提供了理论依据。

　　

在当今癌症研究领域，结直肠癌(Colorectal Cancer, CRC)作为全球第三大常见恶性肿瘤，其死亡率同样高居第三位，严重威胁人类健康。尤其值得关注的是，肿瘤转移是导致CRC患者预后差的关键风险因素，而神经侵袭(Neural Invasion, NI)作为结直肠癌局部复发和远处转移的主要风险因素，近年来已成为肿瘤控制研究的新热点。当癌细胞侵入神经组织时，患者生存率显著降低，复发和转移风险相应增加。然而，目前对结直肠癌神经侵袭的具体分子机制了解有限，这严重制约了相关靶向治疗策略的发展。

肿瘤微环境中，神经系统与肿瘤之间存在复杂的双向相互作用。神经营养因子受体如酪氨酸激酶受体A(TrkA)、B(TrkB)和C(TrkC)在多种肿瘤细胞表面异常表达，当其与相应的神经生长因子(Nerve Growth Factor, NGF)等过度结合时，可激活MAPK、PI3K和PLCγ等信号通路，诱导肿瘤恶性进展，这一过程在神经侵袭中尤为关键。同时，表观遗传调控在肿瘤生物学中扮演着重要角色，其中组蛋白修饰异常可导致肿瘤抑制基因沉默和原癌基因激活，为肿瘤发生发展创造有利条件。

发表于《iScience》的这项研究通过多组学分析结合体内外实验，深入探讨了结直肠癌神经侵袭的表观遗传调控机制。研究人员发现组蛋白去甲基化酶KDM3B通过调控H3K9me2水平，影响神经营养因子受体TrkA的表达，从而在结直肠癌神经侵袭过程中发挥关键作用。这一发现不仅揭示了结直肠癌神经侵袭的新机制，也为开发针对KDM3B的靶向治疗策略提供了重要理论基础。

本研究采用了多种关键技术方法：通过TMT标记定量蛋白质组学技术对临床结直肠癌组织(有无神经侵袭分组)进行差异蛋白筛选；利用Cut&Tag技术和ATAC-seq技术分析KDM3B knockdown前后CRC细胞中组蛋白修饰和染色质可及性变化；建立SD大鼠背根神经节(DRG)与CRC细胞共培养模型模拟神经侵袭过程；通过裸鼠坐骨神经周围移植瘤模型进行体内功能验证；采用免疫组化、Western blot、ELISA等技术进行蛋白表达水平和病理特征分析。临床样本来自6例病理分期为3期伴血管浸润的结直肠癌患者手术肿瘤组织，其中3例为NI组，3例为非NI组。

RESULTS

Proteomic screening of KDM3B, a key protein inducing NI in CRC

通过对3例神经侵袭和3例非神经侵袭的结直肠癌患者组织进行TMT定量蛋白质组学分析，研究人员鉴定出98个差异表达蛋白，其中27个位于细胞核内，KDM3B蛋白差异最显著。GO和KEGG富集分析显示这些差异蛋白富集于细胞迁移、MAPK信号通路和PI3K-AKT信号通路等与肿瘤迁移侵袭相关的通路。免疫组化验证显示NI组患者KDM3B水平均高于非NI组。TCGA-COAD数据库分析进一步证实KDM3B在NI组中高表达，且KDM3B高表达组患者的无复发生存期(RFS)和总生存期(OS)均较短。

Binding between neurotrophic receptors and factors was required during NI in CRC

体外实验发现，在正常培养环境下，KDM3B水平对CRC细胞迁移和侵袭能力影响不显著。然而，在建立SD大鼠DRG与CRC细胞共培养模型后，发现KDM3B knockdown组肿瘤细胞迁移距离和DRG覆盖面积显著减小，而KDM3B过表达组则显著增加。加入神经因子后，KDM3B对细胞迁移和侵袭能力的调控作用变得明显，表明KDM3B诱导CRC神经侵袭需要神经因子受体与因子的结合。

KDM3B induced CRC NI by triggering TrkA overexpression

通过mRNA测序、Cut&Tag和ATAC-seq多组学分析，研究人员发现KDM3B knockdown后共有2021个差异表达基因，这些基因富集于RNA剪接、核转运等与核内蛋白功能相关的通路。Cut&Tag鉴定出2860个差异表达的KDM3B结合DNA序列，主要位于启动子区域。ATAC-seq发现2749个染色质可及性差异序列，多位于转录起始位点附近。三组数据交集鉴定出5个共同差异基因，其中TrkA编码基因NTRK1在所有分析中均显著差异表达。临床样本检测显示NI组患者血清中NGF、BDNF、NT-3和NT-4水平无显著差异，但肿瘤组织中TrkA表达显著高于非NI组。TCGA数据库分析表明NTRK1高表达组患者RFS和OS较短。

KDM3B triggered TrkA overexpression by inhibiting H3K9me2

机制研究发现，KDM3B作为组蛋白去甲基化酶，主要作用于H3K9me1和H3K9me2。Western blot显示KDM3B knockdown后H3K9me2水平显著升高，过表达后则降低，而H3K9me1水平无显著变化。Cut&Tag分析表明KDM3B knockdown后H3K9me2结合序列变化更显著，且NTRK1启动子区域的H3K9me2水平变化明显。ChIP-qPCR验证显示KDM3B过表达增加其与NTRK1启动子的结合，降低H3K9me2水平；而KDM3B knockdown则减少结合并增加H3K9me2水平。

NTRK1 knockdown could reverse the KDM3B-induced NI

功能挽救实验表明，NTRK1 knockdown可逆转KDM3B对CRC细胞迁移、侵袭和神经侵袭能力的促进作用。在共培养模型中，NTRK1 knockdown显著减少肿瘤细胞迁移距离和DRG覆盖面积，而NTRK1过表达则产生相反效果。KDM3B抑制后过表达NTRK1可部分恢复受损的神经侵袭能力，证实KDM3B通过上调NTRK1诱导CRC神经侵袭。

Validation of in vivo model of CRC NI promoted by KDM3B

体内实验进一步验证了上述发现。在裸鼠坐骨神经周围移植瘤模型中，KDM3B knockdown侧肿瘤体积显著小于对照侧，Ki67表达降低，神经侵袭程度减轻，TrkA表达下降。信号通路分析显示KDM3B过表达可激活MAPK和PI3K通路，而MEK抑制剂(U0126)和PI3K抑制剂(LY294002)均可逆转KDM3B过表达诱导的神经侵袭。

DISCUSSION

本研究通过多组学分析结合体内外实验，揭示了KDM3B在结直肠癌神经侵袭中的关键作用及分子机制。研究发现KDM3B通过去甲基化H3K9me2，激活NTRK1启动子序列，导致神经营养因子受体TrkA过表达。TrkA与神经生长因子NGF结合后，过度激活MAPK和PI3K信号通路，从而促进结直肠癌神经侵袭。

这一发现具有重要的理论和临床意义。首先，研究明确了表观遗传调控在结直肠癌神经侵袭中的具体作用机制，丰富了我们对肿瘤-神经相互作用的认识。其次，KDM3B作为可靶向的表观遗传调控因子，为开发针对结直肠癌神经侵袭的治疗策略提供了新靶点。临床数据分析显示KDM3B和NTRK1高表达与患者不良预后相关，进一步支持了其作为预后生物标志物的潜力。

值得注意的是，MAPK和PI3K通路在肿瘤侵袭过程中发挥关键作用。PI3K通过调节细胞骨架重组影响细胞运动性，使肿瘤细胞能够突破基底膜等天然屏障；MAPK则通过上调基质金属蛋白酶等降解细胞外基质成分，为肿瘤细胞侵袭开辟通道。KDM3B从上游调控这些通路的活动，为干预结直肠癌神经侵袭提供了新的切入点。

然而，本研究也存在一定局限性。临床组织蛋白质组学分析的样本量较小，可能限制结果的普适性；体外共培养模型虽能模拟体内微环境，但无法完全复制人体内肿瘤、神经、免疫细胞及其他基质成分的复杂相互作用；缺乏临床试验验证靶向KDM3B能否有效抑制结直肠癌神经侵袭或改善患者预后，其转化价值仍需进一步确认。

总之，该研究深入揭示了KDM3B-H3K9me2-TrkA轴在结直肠癌神经侵袭中的调控作用，为理解肿瘤神经侵袭的表观遗传机制提供了新视角，也为改善结直肠癌患者预后提供了新的潜在治疗策略。未来研究可进一步探索KDM3B抑制剂的开发及其在结直肠癌治疗中的应用前景。