急性早幼粒细胞白血病中增强子、转座子和多梳蛋白靶点的疾病特异性表观遗传调控

《Genome Medicine》：Disease-specific epigenetic deregulation of enhancers, transposons, and polycomb targets in acute promyelocytic leukemia

本研究针对急性早幼粒细胞白血病(APL)特有的表观遗传调控机制，通过整合8种组蛋白修饰的ChIP-seq和RNA-seq数据，揭示了APL特异的增强子活性、异染色质状态和转座元件调控特征。研究发现PML-RARA融合蛋白主要富集于活性增强子区域，并鉴定出APL特异性超级增强子及其靶基因，为理解APL发病机制提供了新的表观遗传视角。

　　

在血液系统恶性肿瘤中，急性早幼粒细胞白血病(APL)以其独特的临床病理特征占据特殊地位。这种疾病最显著的特点是染色体易位t(15;17)导致PML-RARA融合基因的形成，进而阻断髓系细胞在早幼粒阶段的正常分化。尽管ATRA（全反式维甲酸）和ATO（三氧化二砷）的联合应用使得APL成为急性髓系白血病(AML)中治愈率最高的亚型，但早期死亡风险仍然困扰着临床医生。更深入的是，科学家们发现PML-RARA融合蛋白不仅是一个简单的转录抑制因子，它还能与表观遗传调节因子如HDAC1（组蛋白去乙酰化酶1）和P300等发生复杂相互作用，提示其在染色质调控中扮演着更为多元的角色。

长期以来，科学界对APL的表观遗传景观认知有限。传统观点认为PML-RARA主要通过招募抑制性复合物发挥转录抑制作用，但近年研究发现其在不同基因组位点可能具有激活或抑制的双重功能。这种复杂性的背后，隐藏着哪些未被揭示的调控机制？APL特异的染色质状态如何影响其独特的基因表达模式？这些问题的解答对于深入理解APL发病机制具有重要意义。

带着这些疑问，研究人员在《Genome Medicine》上发表了最新研究成果。该研究通过系统分析原发性APL患者、非APL的AML患者以及健康供者CD34⁺细胞的多种组蛋白修饰谱，结合转录组数据，首次绘制了APL的全基因组表观遗传图谱。

研究团队运用了多项关键技术：染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)分析了8种组蛋白修饰（包括H2AZ、H3K4me1、H3K4me3、H3K9me2、H3K9me3、H3K18ac、H3K27ac和H3K27me3）；RNA测序用于基因表达分析；ChromHMM进行染色质状态建模；ROSE算法鉴定超级增强器；整合分析PML-RARA结合位点、染色质互作数据（Hi-C和ChIA-PET）以及基因依赖性数据（DepMap）。研究对象包括5例APL患者、9例非APL的AML患者和5例健康供者的CD34⁺细胞。

染色质状态定义APL的表观遗传景观

通过建立15种染色质状态模型，研究人员发现APL具有独特的染色质特征。特别值得注意的是，H3K27ac在增强子状态（E2）和双价TSS状态（E7）中能够完全区分APL和AML样本，而抑制性标记H3K9me3在异染色质状态（E10、E12和E14）中也显示出类似的区分能力。

活性组蛋白修饰在PML-RARA结合位点富集

与PML-RARA作为转录抑制因子的传统认知不同，研究发现该融合蛋白主要结合于活性组蛋白标记富集的区域，特别是H3K27ac标记的活性增强子区域。约49%的PML-RARA结合位点位于转录起始位点(TSS)附近3kb范围内。

APL呈现特异性增强子和超级增强子特征

研究鉴定出6227个APL特异性增强子，其中307个与PML-RARA结合位点共定位。 motif分析揭示了108个转录因子在APL特异性增强子中的富集，这些因子与髓系分化密切相关。通过"guilt-by-association"方法，研究人员发现APL特异性增强子与908个差异表达基因显著相关。

超级增强子分析识别出590个APL特异性超级增强子，其中71个被PML-RARA结合。这些超级增强子与关键基因如INSR（胰岛素受体）、RAB27A等相关联，这些基因在APL中表达上调，且在NB4细胞中显示出较高的基因依赖性。

增强子劫持现象

通过Hi-C分析，研究发现染色体易位断点处存在增强子劫持现象。位于15号染色体的增强子可能异常调控17号染色体上的ZNF385C基因表达，这可能是APL发病的新机制。

H3K9me3特征区分APL与AML

APL在异染色质相关状态中表现出显著的H3K9me3增益，特别是在核纤层相关域(LAD)富集的状态E12中。约70%的H3K9me3增益位点与转座元件(TE)重叠，主要是LINE、LTR和SINE家族。

HOX基因在APL中受H3K27me3抑制

研究发现HOX基因网络中的多个成员（如HOXA3、HOXA9、MEIS1）在APL中通过获得H3K27me3修饰而被抑制，这与其他AML亚型中HOX基因过度表达的模式形成鲜明对比。

研究结论表明，APL具有独特的增强子和异染色质特征，其中PML-RARA结合在活性增强子区域并改变染色质相互作用模式，进而塑造疾病特异性的表观基因组。这些发现不仅深化了对APL发病机制的理解，也为开发新的治疗策略提供了潜在靶点。特别值得注意的是，研究揭示了PML-RARA在增强子调控中的双重角色，挑战了其作为单纯转录抑制因子的传统观点。此外，发现的增强子劫持现象和超级增强子介导的基因调控网络为理解染色体易位在白血病发生中的作用提供了新视角。该研究建立的综合表观遗传分析框架也可应用于其他白血病亚型的研究，有助于揭示肿瘤发生发展的共同规律和特异性机制。