Cancer Cell ：唐氏综合征儿童白血病前期转化为白血病的机制

来源：BioArt

白血病（Leukemia）是一种血液系统癌症，表现为骨髓、血液以及其他组织被无限增殖的不成熟的造血细胞浸润，抑制正常的造血功能。髓系白血病（Myeloid Leukemia, ML）是指粒细胞、单核细胞、红细胞或巨核系发生病变的白血病【1】。ML是儿童中出现频率最高的癌症，而患有唐氏综合征（Down syndrome, DS）的儿童ML的发病率是正常儿童的150倍【2】。伴随DS的ML（ML-DS）患儿在患病前往往出现一个特殊的阶段，称为短暂性异常骨髓增殖（transient abnormal myelopoiesis, TAM）。30%的唐氏综合征儿童造血干细胞中转录因子GATA1发生突变最终导致TAM，其中又有20%的儿童中GATA1突变的细胞又获得其他突变，在5年内使TAM发展为ML-DS【3】。

为确定TAM和ML-DS的发生机制，已有多项工作对TAM和ML-DS阶段的癌细胞进行测序【4-6】。TAM阶段的癌细胞GATA1均发生突变；ML-DS阶段除了保留GATA1突变外，突变大多发生在编码黏连蛋白组分，表观遗传调控蛋白，以及JAK，PI3K-AKT，RAS信号通路组分的基因中。但这些基因是否在TAM发展为ML-DS过程中发挥作用，依旧缺乏系统的鉴定。

近日，来自德国马丁路德·哈勒维腾贝格大学的Jan-Henning Klusmann团队，来自汉诺威医学院的Dirk Heckl与来自英国牛津大学Paresh Vyas团队共同在Cancer Cell杂志上发表文章——Mechanisms of Progression of Myeloid Preleukemia to Transformed Myeloid Leukemia in Children with Down Syndrome。作者通过分析111位TAM和141位ML-DS病人样本的基因序列，证明了21染色体三倍性和GATA1失活突变足以导致TAM的发生，同时鉴定了ML-DS新的热点突变CSF2RB（A455D）。并且，作者成功建立TAM转化ML的小鼠模型并鉴定18个转化过程中发挥重要作用的基因，从而为研究转化过程的机制奠定了基础。

作者首先使用三种方法对111位TAM和141位ML-DS病人的外周血和骨髓样本的基因组序列（其中包括12个成对的TAM和ML-DS样本）进行分析，分别是全外显子测序，使用RNA捕获的定向测序和基于扩增子捕获靶向序列测序。与之前报道类似，在ML-DS的样本中，突变多发生在编码黏连蛋白复合体的基因，包括STAG2,RAD21, SMC1A, SMC3, CTCF和NIPBL（占比47%），JAK家族基因MPL和KIT（占比48%），表观遗传调控基因KANSL1，EZH2，SUZ12（占比36%）和Ras家族基因中（占比20%）。此外，作者鉴定到新的热点突变CSF2RB（A455D/T），占比4.7%（图1）。通过分析疾病发展过程中的基因突变率，作者发现28%的突变并非发生在所有的癌细胞中。而编码黏连蛋白复合体核心亚基的基因和JAK家族基因的突变更可能发生在所有癌细胞中。特别地，CSF2RB（A455D）在突变的样本中均存在于所有的癌细胞中。

而在TAM样本中，基因突变的发生率明显低于ML-DS样本。除所有样本的GATA1均突变失活外，并无其他突变与ML-DS样本的突变不同（图1），并且双荧光素酶报告实验表明这些突变不影响STAT5的活性，这说明TAM样本中除GATA1外的其他突变对TAM的发生无决定作用，即仅有GATA1突变为白血病前期发生所必需。

图1：ML-DS和TAM样本中基因突变图谱。

作者进一步鉴定了首次发现的突变CSF2RB（A455D）在TAM转化到ML-DS过程中的作用。CSF2RB能够与受体特异的α链和细胞因子形成复合体，介导JAK，PI3K-AKT-mTOR和MEK/ERK信号通路的激活，调控造血细胞的存活，增殖和分化【7】。位于跨膜区的丙氨酸替换为带负电的天冬氨酸（A455D）进而促进与自身和受体α链二聚化，从而持续激活下游信号。作者发现，CSF2RB（A455D）能够促进人白血病细胞系TF1在无GM-CSF环境下增殖（图2A），并增加移植TF1细胞小鼠的死亡率。CSF2RB（A455D）还抑制造血细胞的分化为成熟的巨核细胞（CD41+/CD42b+）（图2B），而使用JAK抑制剂ruxolitinib能够回复这种效应，说明突变CSF2RB（A455D）激活JAK信号通路，诱导癌变发生。

图2：CSF2RB（A455D）调控JAK2进而促进造血细胞增殖（A）并抑制分化（B）。

为揭示由TAM到ML-DS的转化过程，作者在小鼠胚胎肝细胞中使用靶向Gata1的第二外显子的CRISPR-Cas9系统敲除Gata1，并将胎肝细胞移植到骨髓被清除的受体小鼠中，成功构建能够模拟TAM的模型（图3A）。作者针对临床样本中检测到突变的基因设计gRNA，将gRNA混合后导入胎肝细胞，移植到小鼠中。通过对38只发生ML的小鼠癌细胞进行测序，发现82%  (18/22) 能够与Gata1协同调控TAM到ML-DS的转化过程（图3B）。

图3：敲除Gata1的小鼠胚胎干细胞产生模拟ML-DS的白血病。

综上，作者分析了111位TAM和141位ML-DS病人的外周血和骨髓样本的基因组序列，发现仅有GATA1突变为白血病前期发生所必需；同时还鉴定了ML-DS新的热点突变CSF2RB（A455D）。作者又建立了TAM转化到ML的小鼠模型，使用该模型鉴定得到18个在其中发挥重要作用的基因，从而为研究转化过程奠定了基础，未来可为控制唐氏综合征儿童白血病的发生提供新的策略。

本文通讯作者是马丁路德·哈勒维腾贝格大学儿童血液和肿瘤系的Jan-Henning Klusmann，汉诺威医学院儿童血液和肿瘤科的Dirk Heckl，与牛津大学血液学系Paresh Vyas教授。Maurice Labuhn, Kelly Perkins为本文共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ccell.2019.06.007

参考文献

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