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袁卫平团队揭示造血干细胞稳态维持和白血病进程受抑的表观调控新机制
2022.02.16

造血干细胞(HSC)移植是治疗造血损伤和恶性血液病的关键手段,而供者HSC数量和质量是移植成功的关键。研究表明,HSC在体外往往无法有效长期扩增并会快速耗竭,这主要是由于缺乏对造血干细胞分子机制的深入了解。已知表观调控基因在造血发育过程中参与HSC的稳态维持和分化,并在血液系统恶性肿瘤发生发展中起重要作用[1,2]。因此,阐明表观分子在造血干细胞和白血病中的调控机制,将有助于造血干细胞的临床应用,并为加快开发新型、有效、安全的白血病靶向治疗奠定必要的理论基础。

2021年8月31日和12月1日,中国医学科学院血液病医院(中国医学科学院血液学研究所)袁卫平课题组和合作者连续在《Leukemia》期刊在线发表2篇题为“SETD5 modulates homeostasis of hematopoietic stem cells by mediating RNA Polymerase II pausing in cooperation with HCF-1”和“PHF6 and JAK3 Mutations Cooperate to Drive T-cell Acute Lymphoblastic Leukemia Progression”的研究论文。两项工作分别描述了表观基因SETD5和PHF6在造血干细胞和急性T淋巴细胞白血病(T-ALL)中的作用,揭示了表观调控分子在造血干细胞维持和扩增、T-ALL发生发展中的新机制及相应的靶向治疗研究。

在第一项工作中,作者用Vav-Cre和Mx1-Cre工具鼠研究SETD5在造血系统中的作用。SETD5属于表观SET蛋白家族成员,该家族大多具备组蛋白甲基转移酶活性[3]。作者发现敲除SETD5可以促进免疫表型定义的HSC绝对数增加,并加速HSC进入细胞周期。SETD5敲除损伤HSC竞争移植能力并导致功能型HSC比例减少。作者分离了小鼠造血干细胞(LSK+)进行Smart-Seq2单细胞测序,绘制了LSK细胞的转录图谱,发现SETD5敲除损伤造血干细胞的干性和静息状态及其淋系分化潜能,HSC出现衰老的表达谱特征。

机制研究中,作者在SETD5敲除的细胞中未发现组蛋白修饰异常,表明SETD5缺乏组蛋白甲基转移酶活性。作者发现SETD5可以和HCF-1、PAF1结合。有报道称HCF-1结合E2F调控细胞周期,而PAF1和HCF-1参与II型RNA聚合酶(RNA Pol II)的转录[4]。进一步研究表明SETD5可以结合E2F细胞周期靶基因,SETD5敲除后激活型细胞周期基因表达增加。Pol II的ChIP-Seq/qPCR分析发现SETD5敲除后Pol II、Pol II Ser2P的结合增加,基因进入转录延伸状态。最后,用Pol II的转录延伸抑制剂BAY 1143572和JQ1处理SETD5敲除的细胞,发现可以部分恢复HSC的细胞周期。

该项工作阐明了SETD5调控HSC的新机制:SETD5可以和HCF-1、PAF1结合,调控激活型细胞周期基因启动子区RNA Pol II的转录暂停状态,从而维持造血干细胞稳态。

在第二项工作中,作者对PHF6在T-ALL中的作用、机制及靶向治疗进行探索。PHF6是PHD超家族的一员,能够结合染色质并发挥表观调控作用[5]。作者通过分析T-ALL临床数据,发现PHF6与JAK/STAT共突变显著相关(7.8%),共突变病人生存时间明显缩短。作者利用JAK3M511I构建T-ALL小鼠模型,发现Phf6缺失加快了JAK3突变的造血祖细胞向白血病细胞的恶性转化,以发育不成熟的T细胞为主要细胞类型,小鼠生存期明显缩短。

机制研究中,作者发现PHF6可以与BAI1基因结合,PHF6缺失的细胞中BAI1表达减少。文献报道BAI1可以竞争结合MDM2泛素化活性中心,抑制MDM2对P53的泛素化降解,稳定P53蛋白[6]。WB结果显示PHF6缺失后,P53泛素化增加,P53蛋白减少。因此,PHF6缺失促进T-ALL发生发展。最后,作者使用JAK3抑制剂(tofacitinib)和MDM2抑制剂(idasanutlin),在体内体外实验中验证了JAK3/MDM2双抑制剂联合使用能够更好的抑制白血病细胞增殖。

该工作发现PHF6/JAK3共突变可以协同驱动T-ALL疾病进程,阐明了PHF6通过BAI1-MDM2-P53信号轴抑制T-ALL发生发展的调控机制,JAK3/MDM2双抑制剂靶向联合使用可有效增加PHF6/JAK3双突变T-ALL的治疗效果。

综上所述,该课题组最近的两项工作分别解析了表观调控基因在HSC和T-ALL中的作用及机制,为造血干细胞的临床应用及T-ALL的靶向治疗提供了重要的科学依据。

中国医学科学院血液病医院(中国医学科学院血液学研究所)博士研究生李孟柯是第一项工作的第一作者,初雅婧副研究员和袁卫平研究员为通讯作者;博士研究生袁胜男和汪晓敏副研究员是第二项工作的共同第一作者,汪晓敏副研究员和袁卫平研究员为通讯作者。

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1. Zhu X, He F, Zeng H, Ling S, Chen A, Wang Y, et al. Identification of functional cooperative mutations of SETD2 in human acute leukemia. Nat Genet. 2014; 46: 287-93.

2. McRae HM, Garnham AL, Hu Y, Witkowski MT, Corbett MA, Dixon MP, et al. PHF6 regulates hematopoietic stem and progenitor cells and its loss synergizes with expression of TLX3 to cause leukemia. Blood. 2019; 133: 1729-41.

3. Herz HM, Garruss A, Shilatifard A. SET for life: biochemical activities and biological functions of SET domain-containing proteins. Trends Biochem Sci. 2013; 38: 621-39.

4. Chen FX, Woodfin AR, Gardini A, Rickels RA, Marshall SA, Smith ER, et al. PAF1, a Molecular Regulator of Promoter-Proximal Pausing by RNA Polymerase II. Cell. 2015; 162: 1003-15.

5. Liu Z, Li F, Ruan K, Zhang J, Mei Y, Wu J, et al. Structural and functional insights into the human Borjeson-Forssman-Lehmann syndrome-associated protein PHF6. J Biol Chem. 2014; 289: 10069-83.

6. Dan Z, Satoru O, Zhaobin Z, Reichert ZR, Liquan Y, Yonehiro K, et al. BAI1 Suppresses Medulloblastoma Formation by Protecting p53 from Mdm2-Mediated Degradation. Cancer Cell. 2018; 33: 1004-16.