首页 > 其他分享> > 易基因 - 精准医学：DNA甲基化揭示了急性髓系白血病潜在的发育和致病途径｜治疗研究

易基因 - 精准医学：DNA甲基化揭示了急性髓系白血病潜在的发育和致病途径｜治疗研究

2021-05-14 12:00:36 作者：互联网

易点评

急性髓系白血病(AML)是一种复杂的分子疾病，具有异质性的肿瘤遗传学特征，涉及多种致病机制。在本研究中，作者对649例AML患者进行了全基因组DNA甲基化测序。整合的遗传分析数据显示，大多数类型与某种反复发生的突变有关。对DNA甲基化模式进一步分析发现，各个类型之间存在着独特的异常高甲基化和低甲基化模式，它们影响着启动子、增强子的转录活动。在研究的最后作者还发现，对于大多数患者来说，DNA甲基化特征在复发时是稳定的。这些结果表明，基于DNA甲基化对AML进行分类可以显示出不同AML类型的重要分子特征，对揭示疾病的不同致病因素以及分析疾病的不同生物学特点具有巨大的帮助。本文为开发基于表观遗传的新疗法、新药物等相关研究做出了贡献，尤其对于关注后基因组时代医学发展，特别是精准医学的研究者，该项研究具有重要借鉴意义。

背景

急性髓系白血病(AML)是一种临床和分子水平上的异质性疾病。反复出现的遗传异常，如染色体重排和基因突变等，主要构成了目前人们对发病机制理解的基础。与其他癌症相比，AML的遗传变异水平较低，但一些反复发生的变异与预后和肿瘤细胞的表观型显著相关。急性髓系白血病(AML)是由造血干细胞和祖细胞(HSPC)向髓系内多种发育表观型分化而来的，而发育停滞则是AML发病机制中的一个重要原因。表观遗传机制是细胞分化的中心，通过调控关键的发育基因进行程序性表达。DNA甲基化，即在胞嘧啶的5‘碳上加一个甲基，是研究最广泛的表观遗传标记。AML患者之间不同的DNA甲基化模式已被用于对患者进行分类。同时，DNA甲基化由于其稳定性，已经有效地用于多种癌症的指导治疗。

由于急性髓细胞白血病的高度异质性，作者收集了大量的急性髓细胞白血病样本，使用一种无偏见的聚类方法来定义AML患者的不同亚型，并结合基因组和基因表达数据发现，每个亚型都与发育和疾病特异性相关。作者的发现表明亚型特异性的炎症通路激活是急性髓系白血病表观遗传学特征与低存活率相结合的关键机制。

结果

利用全基因组DNA甲基化将AML患者分为不同类型

AML患者通过DNA甲基化模式以无偏见的方式进行分类（n=649）。DNA甲基化通过Illumina测序平台进行检测，该平台主要在启动子和调节区对CpG二核苷酸的DNA甲基化水平进行分析，基团总数(K)是使用Auer-Gervini方法确定的，最终确定了最佳组数为13。作者将这些组命名为AML DNA甲基化表观型1-13(E1-E13)。所有表观型均由多项研究的样本组成(中位数=5，范围=3-8)，每个簇包含3-5个不同的DNA甲基化表观型(图1)。

表观型经常与遗传变异有关

为了探索不同表观型的潜在原因，作者首先考虑了表观型与反复发生的遗传变异的关系，研究发现表观型和常见遗传变异之间的关联与过去的研究一致。然而，这种关联并不普遍(图1C)。其中有4种表观型富含髓系转录因子(TF)：E1-E3富含TF融合基因PML-RARA，inv(16)/Cbfb，AML-ETO，E4富含CEBPA突变。这些表观型显示了遗传变异的高度关联性。然而，表观型E12和E13缺乏与大多数样本一致的突变模式，同时却在少数样本中保留了与基因组不稳定有关的突变，如TP53突变和复杂核型。以上这些结果表明，在一些AML表观型中，反复发生的遗传变异之间存在密切联系，而其他AML表观型缺乏显性的表观型定义基因型。此外，许多样本在特定表观型内缺乏显性突变(图1D)。

在这里插入图片描述
图1

分化状态的差异揭示了表观型的非突变特征

在正常分化过程中发生的但在AML中未能发生的低甲基化事件被称为失败的(发育)低甲基化，每种表观型都具有不同甲基化变化的独特数量和比例(图2)。TF重排的表观型(E1-4)在样本间的差异较小，而在分化较高的表观型(E5-7)中差异较大。AML表观型则显示了不同程度的低甲基化失败，这与HSPC-单核细胞特征的分化程度密切相关。基序富集分析显示，所有出现分化阻滞的AML表观型(除E5-E7外)都涉及与CEBP、SPI1/ETS、RUNX、AP-1和IRF TF相关的低甲基化编程丢失，这表明这些TF通路在AML中的活性普遍减弱。

在这里插入图片描述
图2

FLT3-ITD与针对STAT位点的不同DNA甲基化信号相关联

ITD表示在定义AML表观型的最可变甲基化信号中没有捕捉到的促炎信号。由于FLT3-ITD突变在NPM1超簇中最常见，作者将FLT3-ITD与E7-E10中的FLT3野生型样本进行了比较。作者发现253个探针在FLT3-ITD样本中出现显著的低甲基化(20%甲基化改变，FDR q<0.01)。基序富集分析表明，STAT家族序列基序的低甲基化区域有高度富集，STAT5A是最匹配的(图3)，这与FLT3-ITD AML中STAT5的已知激活是一致的。在扩大检测范围后结果显示，STAT结合位点的低甲基化可能是由聚集在STAT通路上的其他异常细胞活动引起的。

在这里插入图片描述
图3

异常DNA甲基化模式揭示了与NPM1突变相关的疾病特征

Npm1是急性髓系白血病中最常见的突变基因之一，其突变会发生在30%的患者中，在没有其他共发突变的情况下该基因通常与良好的预后有关。E9、10中的超甲基化增强子被属于MEF2和SPI1/ETS的TF基序选择性地富集(图4)。异常的高甲基化不仅意味着这些TF在髓系分化中的正常活性的选择性丧失，而且在TET2和IDH突变的AML中，这些增强子区域会进一步恢复到比HSPC更不成熟的状态。这些发现说明了包含NPM1突变(E7-E10)的AML甲基化表观型之间的共性，并强调了当与NPM1突变共存时，表观遗传修饰酶的突变会产生不同影响。

在这里插入图片描述
图4

AML表观型E11-E13显示未分化的HSPC样特征

表观型E11-E13形成了一个独特的AML样本，与具有高度流行的NPM1突变、反复的染色体重排和其他遗传异常的群组分开。结合DNA甲基化和基因表达变化的观察，作者发现，缺乏显性驱动突变的干细胞样表观型可能利用促炎信号来驱动AML细胞的增殖和存活。

复发时的DNA甲基化模式

DNA甲基化模式在治疗过程中通常是稳定的，这可能是由于肿瘤细胞中DNA甲基化模式的整体高度稳定性和同质性，这使得复发时出现的克隆群体在表观型上与诊断时的群体相似。在相对较少的表现出DNA甲基化模式演变的患者中，所有(4/4)患者都表现出了与干细胞样表观型相一致的结果。

结论

作者的研究表明，DNA甲基化是对遗传异质性的复杂疾病进行分类的一种有效方法，可以极大增加人们对个体患者在生物学方面的理解。作者整合的类型包括了大多数高度重复的突变和发育状态。还用类似的方法进一步归纳了缺乏表观表观型的复发突变患者，表观型的分类涉及到了炎症途径的激活，以及较差的存活率等。在研究中发现，绝大多数患者的病程中甲基化模式的稳定性进一步支持了其作为急性髓系白血病生物标志物的使用。未来开发一种有针对性的方法来对个体患者进行分类，对于释放评估表观型的潜在临床价值将是至关重要的。表观型和遗传标记的协同推进可以帮助识别可能受益于治疗的患者，并且对于新药的研发也将有所助力。