科學(xué)通報(bào) | 單細(xì)胞多組學(xué)解碼AML復(fù)發(fā): 異常轉(zhuǎn)錄與克隆追蹤

急性髓系白血病(acute myeloid leukemia, AML)是一種惡性血液腫瘤, 其特征是骨髓中異常分化的髓系細(xì)胞不受控制地增殖和積累 [1] . 盡管初始治療可使大部分患者獲得緩解, 但高復(fù)發(fā)率仍是治療的主要挑戰(zhàn), 近半數(shù)的緩解患者最終會(huì)復(fù)發(fā). 理解AML的發(fā)病機(jī)制, 特別是導(dǎo)致白血病細(xì)胞異常分化和復(fù)發(fā)的關(guān)鍵調(diào)控紊亂, 對(duì)于開發(fā)更有效的治療策略至關(guān)重要.

造血過程是一個(gè)高度受控的連續(xù)分化過程, 由特定的轉(zhuǎn)錄程序精確調(diào)控 [2] . 該過程的失調(diào)可導(dǎo)致異常造血分化并最終引發(fā)白血病 [1] . 轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要依賴于轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor, TF)與基因組上特定的染色質(zhì)開放區(qū)域( cis -regulatory elements, CREs)的結(jié)合, 從而激活或抑制下游基因的表達(dá). 然而, 在AML中, 驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵調(diào)控紊亂的具體分子機(jī)制, 尤其是非編碼區(qū)突變的作用, 以及復(fù)發(fā)克隆的來源尚不完全清楚.

為了深入解析AML的發(fā)病機(jī)制, 本研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了創(chuàng)新的單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)——線粒體單細(xì)胞染色質(zhì)可及性測(cè)序 [3] (mitochondrial single-cell assay for transposase-accessible chromatin with sequencing mitochondria single-cell ATAC-seq, mtscATAC-seq), 結(jié)合單細(xì)胞RNA測(cè)序(single-cell RNA-seq, scRNA-seq)分析, 對(duì)AML患者的骨髓細(xì)胞進(jìn)行了系統(tǒng)研究( 圖1 ). 該技術(shù)體系的核心優(yōu)勢(shì)在于能夠同時(shí)獲取單個(gè)細(xì)胞的染色質(zhì)開放狀態(tài)、基因表達(dá)譜以及線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)突變信息, 從而在單細(xì)胞分辨率下解析腫瘤異質(zhì)性、追蹤細(xì)胞譜系并關(guān)聯(lián)調(diào)控變化.

圖1 研究設(shè)計(jì)示意圖: 結(jié)合mtscATAC-seq和scRNA-seq解析AML發(fā)病機(jī)制. 圖片修改自參考文獻(xiàn) [4]

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了高質(zhì)量的正常人類造血單細(xì)胞多組學(xué)參考圖譜, 描繪了從造血干細(xì)胞到成熟髓系和淋系細(xì)胞分化過程中染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律. 通過將AML腫瘤細(xì)胞映射到這一正常分化軌跡上, 研究人員能夠精確定位腫瘤細(xì)胞所對(duì)應(yīng)的正常發(fā)育階段, 并識(shí)別其分化阻滯的位置. 研究發(fā)現(xiàn), 即使在形態(tài)學(xué)上看似分化的AML細(xì)胞中, 其染色質(zhì)可及性模式已表現(xiàn)出顯著的早期調(diào)控異常.

研究團(tuán)隊(duì)主要展示了三個(gè)方面的重要發(fā)現(xiàn). 其一是wilm腫瘤基因(wilms’ tumor gene 1, WT1)鋅指域突變破壞表觀遺傳調(diào)控. 在部分起源于造血早期階段的AML(如M4亞型患者)中, 高頻出現(xiàn)WT1鋅指結(jié)構(gòu)域突變(如R467Q、R467L、R467W、H470Y、H470R). 該突變削弱WT1與表觀遺傳因子十十一易位蛋白2(ten-eleven translocation 2, TET2)的相互作用, 導(dǎo)致TET2無法被招募至靶基因調(diào)控區(qū), 從而引起啟動(dòng)子/增強(qiáng)子DNA高甲基化、染色質(zhì)可及性降低及基因沉默. 這些基因多富集于p53等腫瘤相關(guān)通路, 其沉默促進(jìn)AML進(jìn)展. 細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明, 突變型WT1無法恢復(fù)靶基因的開放性與表達(dá), 而野生型WT1可以 [5] .

其二是非編碼區(qū)突變創(chuàng)造新轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)激活致癌基因. 在AML細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)一個(gè)位于GATA結(jié)合蛋白4(GATA binding protein 4, GATA4)下游增強(qiáng)子區(qū)的C>A突變, 創(chuàng)造了新的CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β基因(CCAAT enhancer binding protein beta, CEBPB)結(jié)合位點(diǎn). 該突變?cè)鰪?qiáng)了CEBPB與增強(qiáng)子的結(jié)合, 提升染色質(zhì)可及性并異常激活GATA4表達(dá). 在KG-1a細(xì)胞中引入該突變可顯著促進(jìn)增殖. GATA4在患者中高表達(dá)且與不良預(yù)后相關(guān) [6] , 提示非編碼突變可通過重塑轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)驅(qū)動(dòng)白血病發(fā)生.

其三是利用mtDNA突變追蹤復(fù)發(fā)相關(guān)克隆. AML高復(fù)發(fā)與治療耐受的細(xì)胞亞群持續(xù)存在有關(guān). 利用mtscATAC-seq同時(shí)捕獲的mtDNA突變作為天然條形碼, 可重建患者腫瘤細(xì)胞的譜系與克隆結(jié)構(gòu). 發(fā)現(xiàn)特定上層亞克隆(如AML7的克隆2)具有更高的LSC特征基因表達(dá) [7] , 與已報(bào)道的復(fù)發(fā)相關(guān)細(xì)胞群高度相似. 基于這些克隆中特異高表達(dá)的27個(gè)基因建立的預(yù)測(cè)模型, 在治療應(yīng)用研究以產(chǎn)生有效的治療方法項(xiàng)目(Therapeutically Applicable Research to Generate Effective Treatments, TARGET)隊(duì)列中較傳統(tǒng)方法有更高的復(fù)發(fā)預(yù)測(cè)受試者工作特征曲線下面積(area under the receiver operating characteristic curve, AUC) [8] , 且這些基因在耐藥細(xì)胞系中亦高表達(dá), 提示其與化療抵抗相關(guān).

綜上所述, 本研究通過整合創(chuàng)新的單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)(mtscATAC-seq、scRNA-seq)和 cis GRN生物信息學(xué)算法( cis -regulatory element gene regulon network, cis GRN), 系統(tǒng)揭示了AML發(fā)病和復(fù)發(fā)的新機(jī)制: 關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的功能獲得性或缺失性突變通過改變表觀遺傳景觀調(diào)控下游基因表達(dá); 基因組非編碼區(qū)突變通過創(chuàng)造新的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)異常激活致癌基因(如GATA4); 利用細(xì)胞內(nèi)源性mtDNA突變作為條形碼, 成功追蹤到具有干細(xì)胞特征和耐藥潛能的復(fù)發(fā)相關(guān)克隆, 并鑒定了其特異性分子標(biāo)志物. 這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)AML分子發(fā)病機(jī)制的理解, 為開發(fā)靶向表觀遺傳調(diào)控或克服耐藥的精準(zhǔn)治療策略提供了新思路和新靶點(diǎn), 同時(shí)也為利用單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)和天然細(xì)胞條形碼研究其他復(fù)雜疾病的異質(zhì)性和進(jìn)化規(guī)律提供了重要范式.

參考文獻(xiàn)

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