Nature | 岳峰/郑弘揭示急性髓细胞白血病不同亚型的染色质空间折叠特征

急性髓细胞性白血病 （ AML ） 由于骨髓中的异常造血前体细胞不能正常成熟分化、停留在某一阶段极度分裂扩增，从而影响正常红细胞、白细胞和血小板的形成。AML占了成人急性白血病中的90%，发病率约为十万分之4.3，发病进展迅猛，如不干预治疗能迅速恶化。AML是一种异质性疾病，不同病人的AML细胞拥有不同组合的突变基因，例如IDH1, TET2, NPM1, CEBPA和RUNX1等点突变，以及一系列染色体结构变异 （SV） ，如inv(3), inv(16), t(8;21), t(9;22)和 t(6;9)等。这些突变经常高频重复地出现，因此AML病人可以通过高频突变的出现来诊断亚型。AML的不同亚型之间在疾病进展速度、预后和治疗上都可以大相径庭。决定AML亚型的突变基因本身肩负了许多不同的重要功能，包括维持染色质正确的空间折叠，以及基因组在增强子、沉默子上正常的表观修饰，而这些都是调控全基因组转录水平的基础。因此，产生了一系列尤为重要的问题：在AML细胞中，染色质的空间结构和顺式调控子是否发生了改变？这些改变与不同的亚型之间有什么关系？AML中的易位、倒装和缺失这些SV又是如何影响染色质的空间结构和转录调控的？

2022年10月26日，来自美国西北大学的岳峰课题组在Nature上发表了题目为 Subtype-specific 3D genome alteration in acute myeloid leukemia 的研究论文。文章发现， 不同亚型的AML细胞染色质空间折叠有不同特点的改变。 除了许多AML特有的“基因启动子-增强子（P-E）染色质环”，作者还发现了一些AML细胞特有的“启动子-沉默子（P-S）环”。文章发现结构变异导致的“增强子劫持”事件的频率远超人们之前的理解，并首次揭露了“沉默子劫持”导致的基因下调。最后，文章揭露了DNA在AML细胞中的异常甲基化，而降低甲基化可部分地恢复染色质的空间结构和基因表达。

作者首先对25个AML病人样本和7个正常对照实施了Hi-C， WGS， WGBS， ATAC-seq， 以及H3K27ac和H3K27me3的CUT&Tag。通过对Hi-C的无监督层级聚类分析，作者发现样本的分组结果准确地反映了 AML 遗传亚型。某些A/B分区的改变富集于某些亚型，如WT1 基因仅在具有 TET2 和/或 FLT3-ITD 突变的样品中显示出 B 到 A 转换和表达激活。

作者接下来在每个样本中确定了约 200 个 AML 特异性染色质环，这些环将增强子与许多已知的 AML 原癌基因连结在一起，如 MYCN、ERG和MEIS1，伴随着基因转录水平显著上调。接下来，通过将成环与H3K27me3 峰进行比较，作者确定了AML特异的P-S环。作者用4C 和荧光原位杂交 （FISH） 验证了分别涉及IKZF2和RTTN的P-S环。具有 P-S 环的病人样品中 IKZF2和RTTN 表达显着降低。TCGA数据显示 IKZF2低表达的预后较差。作者进一步用CRSIPR在一条DNA上删减了50Kb 沉默子，使得RTTN表达提高了3倍；而用CIRSPR干扰IKZF2的沉默子更是将表达增加了超过35倍。作者通过一系列实验论证了沉默子是通过染色质成环，而不是通过线性作用，下调了远端的目的基因。

作者接下来通过WGS和Hi-C breakfinder识别了所有样本的 SV，并使用该组在2021年发表于Nature methods的NeoLoopFinder 软件全局预测大量了 SV 诱导的“新成环”，并发现了三种类型反复出现的“增强子劫持”事件伴随着转录水平上调，涉及包括HSF4, MYC和CBL等基因。作者接下来对一个AML细胞系中所有被预测劫持的增强子做了CRISPRi screening，验证了它们对AML 细胞存活和增殖的影响。以AML细胞高度依赖的NSMCE3为例，干扰其劫持的增强子使得其表达下降至36%。接下来，作者首次定义了“沉默子劫持”事件，涉及了JAK1和KMT2C等基因。在细胞系中，作者用CIRPSR干扰了预测被劫持的沉默子，使得两个SV另一边的EXD1和ALG10基因表达分别提高了6倍和2.7倍，证实了“沉默子劫持”对靶基因的抑制作用。

通过WGBS， 作者发现AML样本中CpG岛屿上的全局甲基化明显升高。正常细胞中代表隔绝子的CTCF结合位点在AML样本中的异常甲基化，伴随着CTCF结合的丢失，作者观测到隔绝子功能的丧失和大量新增的跨越隔绝子的染色质环。为了研究是否改变 DNA 甲基化可以逆转染色质空间结构的改变，作者在AML 细胞系中创建了可诱导的 DNMT3A/3B/1 三重敲低，并平行地用低剂量 DNA 去甲基化剂 5-Azacitidine处理细胞，并对两种细胞都做了Hi-C。结果显示，两种处理得到了类似的结果：细胞中有超过一半的、在病人中观测到的A-B区域转换被逆转成了正常状态。AML细胞系中有1800多个特异存在的染色质环，31.6%被显著解离了；对照之下，与正常细胞共享的8000多个染色质环并未受到明显影响，仅有2.5%被解离。

综上所述， 该文首次揭露了白血病中随亚型而变化的染色质空间折叠的改变，并且第一次聚焦于恶性肿瘤特有的启动子-沉默子染色质环，以及提出和验证了“沉默子劫持”的现象。该研究也显示了治疗多发性骨髓瘤的临床药物可以逆转白血病中改变的染色质结构，为未来相关的临床应用提供了思路。

西北大学博士后徐洁，宋凡博士为本文共同第一作者；西北大学岳峰教授、宾夕法尼亚州立大学郑弘医生/副教授为本文共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05365-x

制版人：十一

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