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赛业生物点突变小鼠助力红白血病发病机制研究


    

急性红白血病(AEL)通常涉及到髓系和红系的双谱系转化,但导致AEL的突变及维持双谱系白血病表型的细胞仍然未知。英国牛津大学Claus Nerlov教授领导的研究团队通过协同转录和表观遗传重编程,发现了白血病早期的祖细胞。中性粒细胞-单核细胞祖细胞(NMP)中CEBPA和GATA2突变分别通过增加红系转录因子(TF)的表达和产生红细胞染色质开放状态,成为红细胞白血病的启动细胞(leukemia-initiating cell,LIC)。该研究不仅揭示了AEL产生的细胞和分子机制,而且为研究AEL提供了临床前模型。这一研究成果发表在Cancer Cell杂志(IF:26.602)上。

赛业生物点突变小鼠助力红白血病发病机制研究

 

之前的研究发现,对于急性红白血病,双等位基因CEBPA突变和GATA2 ZnF1突变存在有统计学意义的关联。这种白血病的最常见形式是双谱系,其特征是髓系母细胞和红系母细胞的存在。然而,人们目前还没有确定双谱系急性红白血病的致病突变。

 

在这项研究中,研究人员构建了三种小鼠模型,它们分别是携带双等位基因Cebpa和Gata2 ZnF1突变的KLG基因型、携带Cebpa突变的KL基因型以及携带Gata2突变的G基因型(表达Gata2 G320D突变的基因敲入小鼠由赛业生物构建)。他们观察到,KLG小鼠比KL小鼠更快发展成白血病(平均潜伏期8个月vs.10个月)。

 

濒死的小鼠出现白细胞增多、红细胞减少、血小板减少以及脾脏肿大的特征(图1)。研究人员在检查小鼠的血液涂片后发现,部分KLG小鼠(5/13)的外周血中同时存在髓系和红系母细胞(KLG-E小鼠),而其余的小鼠只存在髓系母细胞(KLG-M小鼠)。对比这两种小鼠的生存率,他们发现KLG-E小鼠的白血病进展更快。

 

流式细胞分析显示,白血病KLG-E小鼠骨髓和脾脏中的未成熟CD71hiTer119lo红细胞增多。这与形态学上观察到的结果一致,未成熟的白血病红系祖细胞在KLG-E小鼠的骨髓、脾脏和血液中积累。这些结果表明,双等位基因Cebpa和Gata2 ZnF1突变的组合能够诱导高度侵袭性的双谱系急性红白血病。

图1. Cebpa和Gata2 ZnF1突变协同诱导红白血病

图1. Cebpa和Gata2 ZnF1突变协同诱导红白血病

 

之后,研究人员发现白血病小鼠骨髓中的LSK造血干细胞相对减少,但LK造血干细胞显著升高。通过进一步分析,他们发现KLG-E小鼠中的造血干细胞主要是中性粒细胞-单核细胞祖细胞(NMP)(图2)。通过L-NMP、L-EoMP与L-EB三种白血病细胞的移植,他们发现KLG-E小鼠骨髓和脾脏中的L-NMP丰度最高,因此KLG-M和KLG-E小鼠的白血病起始细胞(LIC)主要是中性粒细胞-单核细胞祖细胞(NMP)。

图2. 带有NMP免疫表型的白血病起始细胞可维持急性红白血病

图2. 带有NMP免疫表型的白血病起始细胞可维持急性红白血病

 

通常来说,NMP没有生成红系谱系的潜能,但在比较四种小鼠的基因表达谱后,他们发现Cepba突变很可能导致髓系基因的缺失和巨核-红系基因的富集。进一步分析发现,在Cebpa双等位基因突变存在的情况下,NMP中的红系转录因子(Gata1、Gata2、Klf1和Zfpm1)上调,而髓系和普遍表达的造血转录因子未见明显升高或改变。之后他们又通过qRT-PCR来验证红系转录因子的共表达情况,发现WT和G小鼠的NMP很少表达红系转录因子,但Cebpa双等位基因突变的NMP可以共表达髓系和红系转录因子。

 

尽管Cebpa双等位基因突变上调了红系转录因子,但人们只在KLG小鼠中观察到急性红白血病,表明Gata2 ZnF1突变还有另一层的调控作用。研究人员对纯化后的KL、KLG-M和KLG-E NMP细胞进行ATAC测序,以评估它们在表观遗传上是否不同。他们发现KLG-E小鼠的NMP在峰值强度或转录因子的染色质可接近性上与前两者均不相同(图3)。因此,Gata2突变促进红系转录因子接近染色质,而限制髓系转录因子接近。

图3. GATA-2 ZnF1的突变促进红系转录因子接近染色质

图3. GATA-2 ZnF1的突变促进红系转录因子接近染色质

 

最后,研究人员在细胞水平验证了白血病前体细胞NMP和红系白血病KLG小鼠的L-NMP细胞具有双潜能。他们在与两个谱系兼容的条件下培养了野生型小鼠和KLG小鼠的NMP细胞。WT NMP主要向中性粒细胞和单核细胞分化,但KLG NMP产生的集落主要含有未成熟的髓系和红系细胞。同样地,KLG小鼠的L-NMP细胞也具有向红细胞和中性粒细胞分化的潜能。

 

这项研究的意义在于发现Cebpa和Gata2突变可在小鼠中引起双谱系急性红白血病,并且所产生的白血病在细胞和分子上类似于人类急性红白血病。研究人员还确定了一种机制,表明中性粒细胞-单核细胞祖细胞(NMP)中的Cebpa和Gata2突变分别通过上调红系转录因子的表达及其在染色体上结合位点的开放程度,从而实现异位的红系分化潜能。这些结果强调了建立准确的基因编辑动物模型和研究白血病前期间状态对了解白血病发生过程中癌基因的协同作用具有重要意义。

 

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原文检索:

Di Genua et al.,2020.C/EBPαand GATA-2 Mutations Induce Bilineage Acute Erythroid Leukemia through Transformation of a Neomorphic Neutrophil-Erythroid Progenitor.Cancer Cell 37,690–704.

DOI:10.1016/j.ccell.2020.03.022

 

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