導(dǎo)讀體細(xì)胞突變在人體健康組織中普遍存在，其比例也隨著生理年齡的增長而增加。已有研究表明，健康人體組織克隆生長產(chǎn)物中的體細(xì)胞突變與癌癥的復(fù)發(fā)驅(qū)動因子重疊（如TP53、PIK3CA和NOTCH1），表明癌癥可能由癌前克隆嵌合體產(chǎn)物引起。

克隆性造血（clonal hematopoiesis, CH）通常指與某種獲得性基因突變相關(guān)的髓系細(xì)胞增生，并與衰老相關(guān)。DNMT3A是CH中突變最頻繁的基因，其編碼一種DNA甲基轉(zhuǎn)移酶。DNMT3A?R882的熱點突變在CH中較為常見，與髓系惡性腫瘤風(fēng)險增加有關(guān)，并被懷疑代表某些腫瘤發(fā)展（如急性髓細(xì)胞白血病等）的早期階段。CH提供了一個獨特的環(huán)境來研究非惡性人類造血中DNMT3A突變的分子后果，但CH中的突變細(xì)胞在形態(tài)學(xué)和表型上與混合的野生型細(xì)胞相似，科研人員很難將基因型與表型聯(lián)系起來。

近日，美國威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院團隊與Dana-Farber癌癥研究所的研究團隊合作在Nature Genetics發(fā)表了題為“Single-cell multi-omics of human clonal hematopoiesis reveals that?DNMT3A?R882 mutations perturb early progenitor states through selective hypomethylation”的文章。研究團隊?wèi)?yīng)用單細(xì)胞多組學(xué)測序技術(shù)捕獲單個細(xì)胞的突變狀態(tài)以及下游表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄信息，直接在原始人類樣本中比較來自同一個體的突變細(xì)胞與其野生型對應(yīng)體。該研究詳細(xì)描述了DNMT3A?R882熱點突變對CH的影響以及體細(xì)胞驅(qū)動突變對克隆嵌合體的影響，揭示血液干細(xì)胞中常見的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶突變可能通過甲基化和基因表達(dá)的變化而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。

主要研究內(nèi)容

人CD34+單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序中的DNMT3A?R882基因分型

研究團隊首先從CH樣本中分離出活的CD34+細(xì)胞，并使用GoT30對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行基因分型，捕獲帶有R882密碼子的細(xì)胞。為繪制CH中CD34+祖細(xì)胞分化的軌跡，研究團隊整合了不同樣本的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，確定了可預(yù)期的祖細(xì)胞亞型。結(jié)果顯示，DNMT3A突變并未形成新的細(xì)胞特征，這與CH患者沒有表現(xiàn)出明顯的外周血計數(shù)或形態(tài)學(xué)異常的臨床特征相一致。相反，研究團隊觀察到CH中的突變型和野生型細(xì)胞在整個過程中都混合在一起，因此需要通過單細(xì)胞多組學(xué)將基因型與細(xì)胞表型聯(lián)系起來進行更深入的研究。

DNMT3A突變的人類祖細(xì)胞表現(xiàn)出譜系偏倚

研究團隊將上述數(shù)據(jù)映射到造血分化路徑上，發(fā)現(xiàn)攜帶DNMT3A?R882熱點突變的細(xì)胞分化表現(xiàn)出髓系偏倚，而非淋巴系偏倚。此外，突變的未成熟髓系祖細(xì)胞顯示出巨核細(xì)胞-紅細(xì)胞譜系擴增。上述研究結(jié)果表明，在造血系統(tǒng)腫瘤的惡性轉(zhuǎn)化前期，轉(zhuǎn)錄因子活性的集中失調(diào)伴隨著譜系和轉(zhuǎn)錄紊亂。

多組學(xué)解析DNMT3A突變引起的后果

為將因DNMT3A突變而引起的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)改變和DNA甲基化特征相關(guān)聯(lián)，研究團隊對來自相同個體的CD34+祖細(xì)胞進行多模態(tài)單細(xì)胞測序，以捕獲DNA甲基化、轉(zhuǎn)錄組信息和靶向DNMT3A基因分型，可以比較來自同一個體的突變和野生型細(xì)胞的甲基化狀態(tài)，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)確定了主要的祖細(xì)胞身份。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，突變組CpG島的DNA甲基化特征減少。深入分析顯示，與野生型細(xì)胞相比，DNMT3A?R882細(xì)胞中增強子區(qū)域表現(xiàn)出顯著的低甲基化以及全局低甲基化。

Genetics由于DNMT3A編碼DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，研究團隊特別檢查了熱點突變對甲基化模式和基因表達(dá)的影響。結(jié)果顯示，DNMT3A?R882熱點突變導(dǎo)致多梳抑制復(fù)合物2（PRC2）靶標(biāo)以及特定CpG側(cè)翼基序的優(yōu)先低甲基化。值得注意的是，低甲基化基序富含造血轉(zhuǎn)錄因子（如MYC/MAX、HIF1A/ARNT和USF1/2）的結(jié)合序列，可作為DNMT3A突變和異常轉(zhuǎn)錄表型之間的潛在關(guān)聯(lián)機制。此外，MYC/MAX等位點的低甲基化也導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄靶點的表達(dá)增加。上述結(jié)果顯示，單細(xì)胞多組學(xué)方法為人們分析CH中因DNMT3A突變而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)錄畸變提供了一個潛在的模型，支持通過關(guān)鍵造血轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列的選擇性低甲基化增強DNMT3A突變細(xì)胞的適應(yīng)性。

結(jié) 語

綜上所述，該研究報道了人類CH原代CD34+細(xì)胞中DNMT3A?R882突變的分子結(jié)局，并發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄變異，這些變異重塑了造血分化的譜系偏向，并促進了腫瘤最初生階段的克隆擴增。同時，該研究也證明了新興的單細(xì)胞多組學(xué)方法在解決復(fù)雜科學(xué)問題方面的獨特優(yōu)勢，為研究體細(xì)胞突變?nèi)绾悟?qū)動人類體細(xì)胞進化中的正常組織嵌合體鋪平了道路。文章第一作者Anna S. Nam博士表示：“我們發(fā)現(xiàn)了一種將DNMT3A?R882熱點突變與非典型轉(zhuǎn)錄表型聯(lián)系起來的機制。這些發(fā)現(xiàn)為未來可能針對相關(guān)細(xì)胞進行干預(yù)以預(yù)防癌癥和其他克隆生長相關(guān)疾病鋪平了道路?！?

參考文獻：

Nam, A.S., Dusaj, N., Izzo, F. et al. Single-cell multi-omics of human clonal hematopoiesis reveals that?DNMT3A?R882 mutations perturb early progenitor states through selective hypomethylation. Nat Genet (2022). https://www.nature.com/articles/s41588-022-01179-9

來源:測序中國