科学通报 | 单细胞多组学解码AML复发: 异常转录与克隆追踪

急性髓系白血病(acute myeloid leukemia, AML)是一种恶性血液肿瘤, 其特征是骨髓中异常分化的髓系细胞不受控制地增殖和积累 [1] . 尽管初始治疗可使大部分患者获得缓解, 但高复发率仍是治疗的主要挑战, 近半数的缓解患者最终会复发. 理解AML的发病机制, 特别是导致白血病细胞异常分化和复发的关键调控紊乱, 对于开发更有效的治疗策略至关重要.

造血过程是一个高度受控的连续分化过程, 由特定的转录程序精确调控 [2] . 该过程的失调可导致异常造血分化并最终引发白血病 [1] . 转录调控主要依赖于转录因子(transcription factor, TF)与基因组上特定的染色质开放区域( cis -regulatory elements, CREs)的结合, 从而激活或抑制下游基因的表达. 然而, 在AML中, 驱动关键调控紊乱的具体分子机制, 尤其是非编码区突变的作用, 以及复发克隆的来源尚不完全清楚.

为了深入解析AML的发病机制, 本研究团队应用了创新的单细胞多组学技术——线粒体单细胞染色质可及性测序 [3] (mitochondrial single-cell assay for transposase-accessible chromatin with sequencing mitochondria single-cell ATAC-seq, mtscATAC-seq), 结合单细胞RNA测序(single-cell RNA-seq, scRNA-seq)分析, 对AML患者的骨髓细胞进行了系统研究( 图1 ). 该技术体系的核心优势在于能够同时获取单个细胞的染色质开放状态、基因表达谱以及线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)突变信息, 从而在单细胞分辨率下解析肿瘤异质性、追踪细胞谱系并关联调控变化.

图1 研究设计示意图: 结合mtscATAC-seq和scRNA-seq解析AML发病机制. 图片修改自参考文献 [4]

研究团队构建了高质量的正常人类造血单细胞多组学参考图谱, 描绘了从造血干细胞到成熟髓系和淋系细胞分化过程中染色质可及性和基因表达的动态变化规律. 通过将AML肿瘤细胞映射到这一正常分化轨迹上, 研究人员能够精确定位肿瘤细胞所对应的正常发育阶段, 并识别其分化阻滞的位置. 研究发现, 即使在形态学上看似分化的AML细胞中, 其染色质可及性模式已表现出显著的早期调控异常.

研究团队主要展示了三个方面的重要发现. 其一是wilm肿瘤基因(wilms’ tumor gene 1, WT1)锌指域突变破坏表观遗传调控. 在部分起源于造血早期阶段的AML(如M4亚型患者)中, 高频出现WT1锌指结构域突变(如R467Q、R467L、R467W、H470Y、H470R). 该突变削弱WT1与表观遗传因子十十一易位蛋白2(ten-eleven translocation 2, TET2)的相互作用, 导致TET2无法被招募至靶基因调控区, 从而引起启动子/增强子DNA高甲基化、染色质可及性降低及基因沉默. 这些基因多富集于p53等肿瘤相关通路, 其沉默促进AML进展. 细胞实验表明, 突变型WT1无法恢复靶基因的开放性与表达, 而野生型WT1可以 [5] .

其二是非编码区突变创造新转录因子结合位点激活致癌基因. 在AML细胞中发现一个位于GATA结合蛋白4(GATA binding protein 4, GATA4)下游增强子区的C>A突变, 创造了新的CCAAT增强子结合蛋白β基因(CCAAT enhancer binding protein beta, CEBPB)结合位点. 该突变增强了CEBPB与增强子的结合, 提升染色质可及性并异常激活GATA4表达. 在KG-1a细胞中引入该突变可显著促进增殖. GATA4在患者中高表达且与不良预后相关 [6] , 提示非编码突变可通过重塑转录因子结合位点驱动白血病发生.

其三是利用mtDNA突变追踪复发相关克隆. AML高复发与治疗耐受的细胞亚群持续存在有关. 利用mtscATAC-seq同时捕获的mtDNA突变作为天然条形码, 可重建患者肿瘤细胞的谱系与克隆结构. 发现特定上层亚克隆(如AML7的克隆2)具有更高的LSC特征基因表达 [7] , 与已报道的复发相关细胞群高度相似. 基于这些克隆中特异高表达的27个基因建立的预测模型, 在治疗应用研究以产生有效的治疗方法项目(Therapeutically Applicable Research to Generate Effective Treatments, TARGET)队列中较传统方法有更高的复发预测受试者工作特征曲线下面积(area under the receiver operating characteristic curve, AUC) [8] , 且这些基因在耐药细胞系中亦高表达, 提示其与化疗抵抗相关.

综上所述, 本研究通过整合创新的单细胞多组学技术(mtscATAC-seq、scRNA-seq)和 cis GRN生物信息学算法( cis -regulatory element gene regulon network, cis GRN), 系统揭示了AML发病和复发的新机制: 关键转录因子的功能获得性或缺失性突变通过改变表观遗传景观调控下游基因表达; 基因组非编码区突变通过创造新的转录因子结合位点异常激活致癌基因(如GATA4); 利用细胞内源性mtDNA突变作为条形码, 成功追踪到具有干细胞特征和耐药潜能的复发相关克隆, 并鉴定了其特异性分子标志物. 这些发现不仅深化了对AML分子发病机制的理解, 为开发靶向表观遗传调控或克服耐药的精准治疗策略提供了新思路和新靶点, 同时也为利用单细胞多组学技术和天然细胞条形码研究其他复杂疾病的异质性和进化规律提供了重要范式.

参考文献

[1] Longo D L, Döhner H, Weisdorf D J, et al. Acute myeloid leukemia . N Engl J Med , 2015 , 373: 1136 -1152

[2] Velten L, Haas S F, Raffel S, et al. Human haematopoietic stem cell lineage commitment is a continuous process . Nat Cell Biol , 2017 , 19: 271 -281

[3] Lareau C A, Ludwig L S, Muus C, et al. Massively parallel single-cell mitochondrial DNA genotyping and chromatin profiling . Nat Biotechnol , 2021 , 39: 451 -461

[4] Tian C, Dong Y, Sun X, et al. Integrative scATAC-seq and mtDNA mutation analysis reveals disease-driven regulatory aberrations in AML . Sci Bull , 2025 , 70: 3215 -3232

[5] Wang Y, Xiao M, Chen X, et al. WT1 recruits TET2 to regulate its target gene expression and suppress leukemia cell proliferation . Mol Cell , 2015 , 57: 662 -673

[6] Tao Y F, Fang F, Hu S Y, et al. Hypermethylation of the GATA binding protein 4 (GATA4) promoter in Chinese pediatric acute myeloid leukemia . BMC Cancer , 2015 , 15: 756

[7] Ng S W K, Mitchell A, Kennedy J A, et al. A 17-gene stemness score for rapid determination of risk in acute leukaemia . Nature , 2016 , 540: 433 -437

[8] Petti A A, Khan S M, Xu Z, et al. Genetic and transcriptional contributions to relapse in normal karyotype acute myeloid leukemia . Blood Cancer Discov , 2022 , 3: 32 -49

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