DNMT3A突变相关白血病发病的分子机制及治疗靶点研究的新发现

　　

 

来自上海交通大学医学院附属瑞金医院、上海血液学研究所的研究人员证实，在小鼠造血系统中条件性敲入DNA甲基转移酶3A（Dnmt3a）R878H突变基因，可诱发急性髓系白血病（Acute myeloid leukemia，AML），mTOR通路异常活化可能是潜在的治疗靶点。《美国科学院院刊》（PNAS）杂志5月1日上线发表了这一研究成果。陈竺（ZhuChen）院士、陈赛娟（Sai-Juan Chen）院士以及王月英（Yue-Ying Wang）研究员是这篇论文的共同通讯作者。

早在2011年，该课题组就发现DNMT3A在急性单核细胞白血病患者中存在高频突变，并与预后不良相关，为AML的诊断和预后评价提供了一个新的分子标志物。文章在《自然遗传学》（Nature Genetics）发表。随后，利用逆转录病毒转导和骨髓移植技术建立了DNMT3AR882H热点突变的小鼠模型，揭示该突变可影响白血病相关基因的DNA甲基化水平，从而使这些基因表达水平增加，包括Hox家族、Idh1、Hlf、Flt3和Mpl等，最终导致慢性粒单核细胞白血病的发生。这一工作又于2014年《PNAS》杂志发表。

近年来该课题组利用胚胎显微注射技术建立了Dnmt3a R878H（与人类DNMT3AR882H相对应）条件性敲入小鼠模型，进一步研究了在内源性启动子/增强子的调控下，DNMT3A突变如何导致白血病的发生。结果发现，Dnmt3a突变这一遗传学改变即可引起小鼠造血干/祖细胞异常增殖并诱发AML，而白血病起源细胞主要是LSK（Lin-Sca1+cKit+）的造血干/祖细胞群体。通过白血病细胞的转录组和DNA甲基化谱的研究，以及白血病干/祖细胞的单细胞RNA测序分析，揭示了Dnmt3aR878H突变可引起基因表达和表观遗传调控模式的显著变化，导致造血细胞分化阻滞和增殖过度。研究还发现，Dnmt3a突变可通过DNA低甲基化修饰而使mTOR活化增加，进而上调细胞周期关键蛋白CDK1的表达，促进造血细胞增殖。过表达的CDK1则可磷酸化组蛋白甲基化修饰酶EZH2，引起异常的组蛋白H3K27三甲基化谱。根据这些结果，研究人员使用了mTOR的特异性抑制剂“雷帕霉素”，发现该抑制剂可显著抑制白血病细胞增殖。此外还显著减轻小鼠的白血病症状并延长生存期，提示异常活化的mTOR可作为潜在的药物作用靶点。因此联合应用mTOR抑制剂，有望显著改善DNMT3A突变相关AML患者的治疗效果。

技术评论

近些年来，单细胞分析技术已成为科学研究领域强有力的工具。技术的革新使我们得以追踪、捕获单个细胞，从而在单细胞层面开展基因组、转录组以及蛋白质水平的研究。为了深入解读白血病起源细胞的生物学特征，文中利用单细胞RNA测序技术对比了Dnmt3aR878H/WT突变和Dnmt3aWT/WT对照小鼠LSK造血干/祖细胞的基因表达谱。小鼠LSK造血干/祖细胞的单细胞cDNA文库由FluidigmC1平台制备（图1），然后利用IlluminaMiSeq平台完成测序。比较分析测序结果发现Dnmt3aR878H/WT突变小鼠中细胞周期调控与转变相关基因的表达水平比Dnmt3aWT/WT对照小鼠具有更高的异质性（图2）。

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图1捕获的单细胞在显微镜下的成像结果

图2Dnmt3aR878H/WT突变和Dnmt3aWT/WT对照小鼠LSK造血干/祖细胞的基因表达水平和异质性对比结果

此外，研究还发现Meis1, Hlf, Mpl, Hoxa7, Hoxa10和Gata3等与白血病形成相关的基因在Dnmt3aR878H/WT突变小鼠的LSK造血干/祖细胞中上调，与细胞周期、CML（chronicmyeloid leukemia）、mTOR和AML信号通路相关的基因簇过表达。同时，对单细胞转录本数据的PCA分析结果表明Dnmt3aR878H/WT突变小鼠的LSK造血干/祖细胞和Dnmt3aWT/WT对照鼠的LSK造血干/祖细胞是不同的群体，进一步说明患病小鼠大部分的LSK细胞具有独特的转录本特征。这些发现有助于阐明白血病起源细胞在疾病发生过程中的进化潜能，并且极大地扩展了我们对急性髓系白血病发病机制的认知。