阐明白血病起源细胞在疾病发生过程中的进化潜能

利用胚胎显微注射技术建立了Dnmt3a R878H（与人类DNMT3A R882H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/祖细胞系异常增殖并诱发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Dnmt3a R878H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*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。

近些年来，单细胞系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突变小鼠和Dnmt3aWT/WT对照小鼠的LSK造血干/祖细胞的基因表达谱。利用Fluidigm C1单细胞自动制备系统制备小鼠LSK造血干/祖细胞的单细胞cDNA文库，然后利用Illumina MiSeq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。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/祖细胞中出现上调；以及与细胞周期、mTOR和AML信号通路相关的基因簇的过表达。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*的转录本特征。这些发现有助于阐明白血病起源细胞系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。