单细胞多组学分析造血干细胞DNMT3A突变 揭示选择性低甲基化引起髓细胞增生

用先进的单细胞多组学分析表明，血液干细胞中一种常见的、与血癌和心血管疾病的高风险有关的自发突变DNMT3A R882可能会通过改变干细胞的甲基化程序、产生的血细胞比例，促进这些疾病的发生。

　　

克隆性造血（Clonal hematopoiesis，CH）通常是指造血干细胞（HPSC）由于基因突变而引起的髓细胞增生，也是多种血液疾病的发病基础。

一项由威尔康奈尔医学院、纽约长老会医院、纽约基因组中心、哈佛医学院和Dana-Farber癌症研究所的研究人员共同领导的研究表明，血液干细胞中一种常见且与血癌和心血管疾病的高风险有关的自发突变可能会通过改变干细胞的基因活性程序和它们产生的血细胞来促进这些疾病的发生。这种被称为DNMT3A R882的血液干细胞突变会导致含有这种突变的循环血细胞大量繁殖。一般来说，随着年龄的增长，这种突变生长变得越来越常见，并被认为代表了癌症发展的非常早期的恶性前期阶段。然而，突变细胞的分子细节一直难以确定，因为突变细胞的外观和功能与正常细胞大致相同并且混合在一起。研究人员借助多模态单细胞测序分析，阐明了血细胞中最常见的突变基因DNMT3A R882突变在其中的影响，结果发表在9月22日的《自然-遗传学》上。

研究人员首先从多发性骨髓瘤缓解期患者骨髓中提取的血液干细胞样本。他们发现，在这些患者中，血细胞克隆增生相对常见。然后他们用“单细胞多组学”技术检测了6000多个细胞的基因型、转录组和甲基化组、DNMT3A R882突变，并绘制基因活性和甲基化标记，即关闭附近基因的编程标记。通过这种方法，他们前所未有地详细记录了含有突变的血液干细胞与正常干细胞的区别。

DNMT3A基因编码甲基转移酶，这种酶有助于在DNA甲基化。研究人员发现，这种突变对正常甲基化的破坏导致整个基因组缺乏这些“关闭开关”，并导致关键基因的异常激活——包括炎症驱动基因和癌症相关生长基因——所有这些都与突变细胞的生长和生存优势相一致，并与它们发展为癌症的更高风险相一致。

DNMT3A突变导致造血干细胞产物偏向髓系，巨核细胞-红细胞方向的未成熟髓系祖细胞的扩增，以及谱系和白血病干细胞标志物的表达失调。突变干细胞产生成熟血细胞的过程倾向于红细胞和产生凝血血小板的细胞，这为血液中有克隆增生的患者患心血管疾病的风险更高提供了潜在的理由。突变的DNMT3A导致PRC2(Polycomb Repressive Complex 2)靶标和特定 CpG 侧翼基序的优先低甲基化。值得注意的是，低甲基化序列中富含关键的造血转录因子的结合序列，可能是DNMT3A突变和异常转录表型之间的潜在关联机制。

“这些发现帮助我们了解这些突变细胞是如何超越正常细胞生长的，并为未来可能针对这些细胞的干预措施铺平了道路，以预防癌症和其他克隆生长相关的情况。”“我们希望通过发现这样的分子特征，我们将能够针对这些克隆生长，并在仍然健康的人中预防癌症的发展，”该研究的共同第一作者Anna Nam博士说，她是病理学和实验室医学系的病理学和实验室医学助理教授，威尔康奈尔医学的迈耶癌症中心的成员，纽约长老会/威尔康奈尔医学中心的病理学家。

研究人员计划对其他突变导致的克隆生长进行进一步研究。他们还在开发多组学技术，以提高这些研究的速度和规模。“我们应该很快就能同时对更多的细胞进行研究，让我们对发生的事情有一个更完整的了解，”共同第一作者Neville Dusaj说。