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KDM6A在髓系肿瘤中的病理作用和临床意义

 2022-12-06 15:43:15  来源:123杂志网 

  赖氨酸去甲基化酶 6A(lysine demethylase 6A, KDM6A)在 20 多年前首次被发现,于 2007 年被鉴定 为特异性组蛋白去甲基化酶[ 1 ] ,能去除组蛋白 H3 第 27 位赖氨酸三甲基化(H3K27me3)修饰的抑制作用, 对生理造血有重要意义 。髓系肿瘤是骨髓内异常造 血 干 祖 细 胞(hematopoietic stem and progenitor cell, HSPC )的克隆性增生 。复发和耐药是多数患者总体 预后较差的主要原因 。KDM6A 通过表观修饰作用 调控关键基因和信号通路,从而影响髓系肿瘤的发 生和预后。

  

  1   KDM6A 的结构和功能

  

  KDM6A,也被称为 X 染色体上普遍转录的四三 肽重复序列,其编码基因定位于性染色体 Xp11. 2,包含 33 个外显子 。KDM6A 在人体正常组织中广泛 表达,由 1 401 个氨基酸残基构成不同的基序,其中 在羧基端的催化基序——Jumonji C (JmjC)结构域赋 予其 H3K27me3 的去甲基化活性,而在氨基端的调 控基序 —— 三十四肽重复(tetratricopeptide repeat, TPR )结构域帮助核定位,二者协同促进靶基因的转 录及介导蛋白质相互作用[ 2-3 ] 。作为 KDM6 亚家族的 一员,KDM6A 在人类中有 2 个旁系同源物:KDM6B 和 KDM6C 。与 KDM6A 相比,KDM6B 缺乏 TPR 结构 域 ,其编码基因位于 17p13. 1;而 KDM6C 尽管拥有 JmjC 结构域,但去甲基化活性很低,其编码基因位于 Yq11. 221[ 3-4 ]  。   KDM6A 通 过 去 甲 基 化 作 用 解 除 H3K27me3 对基因转录的抑制,广泛促进干细胞增殖分 化 和 组 织 器 官 发 育 ,包 括 神 经 、心 脏 、肌 肉 及 骨等[ 5- 11 ] 。

  

  2   KDM6A在造血系统中的生理功能

  

  KDM6A 在骨髓 、脾 、胸腺及肝脏等主要造血器 官中均表达[ 12 ]  ,提示其对机体造血很可能有重要作 用 。早期研究观察到,KDM6A 敲减并不促进凋亡,但 可使小鼠原代骨髓细胞的红系、巨核系和 B 细胞的 集 落 形 成 减 少 ,其 机 制 主 要 是 KDM6A 敲 减 后 RUNX1、MLL1 和 SCL 启动子区 KDM6A 占有率下降, H3K27me3 水 平 显 著 增 加[ 12 ]  。   其 后 研 究 显 示 , KDM6A 促进 HSPC 增殖 、迁移及分化,KDM6A 敲减 后小鼠造血祖细胞系 32D 细胞迁移能力下降,但整 体 H3K27me3 水平并无变化,KDM6A 敲除后小鼠原 代 HSPC 迁移能力同样显著降低[ 13 ] 。HSPC 由造血内 皮细胞通过内皮 - 造血细胞转化(endothelial-hemto ‐ poietic transition,EHT )产生 。研究证实 ,EHT 过程 依赖维生素 C 参与,维生素 C 致整体 H3K27me3 水平 下 降 、并 促 进 造 血 相 关 基 因 的 染 色 质 开 放 ,而 KDM6A 在这一过程中发挥关键作用[ 14 ] 。体外敲除 KDM6A 的 HSPC 出现分化相关基因 CAR1/2、LYL1、 SCL 和 GATA1 以及肿瘤抑制因子 BAX 下调,下调基 因 多 富 集 于 造 血 谱 系 分 化 及 免 疫 相 关 通 路 ,如 RPS14 和 IL2/STAT5 通路,而 PU. 1 上调,主要影响红 系 和 巨 核 系 的 转 录 生 成[ 13,15 ]  。最 新 的 研 究 表 明 , KDM6A 可抑制 B 细胞分化,其敲除后边缘区 B 细胞 增殖和浆细胞形成增加,促凋亡基因的 H3K27me3 水平升高、浆细胞凋亡减少[ 16 ] 。然而,Huppertz 等[ 17 ]    认为 KDM6A 缺失致 pro-B 细胞向 pre-B 细胞分化受 阻 。近年的研究观察到 KDM6A 在维持造血稳态中 发挥着重要作用,造血干细胞中 KDM6A 表达随年龄 增长而下降,KDM6A 敲除后 HSPC 衰老相关标志物 表达增加,活性氧积累,DNA 双链断裂修复受损,并 且 HSPC 归巢和造血重建能力显著降低[ 18 ] 。但 Hup‐ pertz 等[ 17 ] 的研究则认为 KDM6A 缺失并不影响HSPC 归巢,造血重建能力下降可能是 HSPC 增殖、分化或 存活缺陷所致 。此外 ,KDM6A 对自然杀伤(natural killer,NK )细 胞 的 功 能 有 重 要 作 用 ,敲 除 或 抑 制 KDM6A 后可减少促炎因子 IFN- γ、TNF- α、GM-CSF 、 IL-2 和抗炎因子 IL- 10,同时改变 NK 细胞的炎症转 录谱,包括周期、代谢和信号传导等通路,导致 NK 细 胞在炎症功能中的降低[ 19 ] 。

  

  3   KDM6A在造血系统中的病理作用

  

  3. 1   KDM6A 在急性髓系白血病(acute myelogenous leukemia,AML)中的作用   最初对 200 例 AML 的肿 瘤基因组图谱(The Cancer Genome Atlas,TCGA )研究 及 其 后 对 1 540 例 AML 的 大 规 模 研 究 均 显 示 , AML 患者存在着再现性 KDM6A 突变[ 20-21 ] 。而对核心 结合因子(core-binding factor,CBF ) -AML 的研究观 察到 KDM6A 突变主要发生于 RUNX1-RUNX1T1 白 血病患者[ 22 ] 。其后,Greif 等[ 23 ] 对 50 例正常核型 AML 患者标本测序检测到 2 例患者在复发时出现 KDM6A 突变,均位于 JmjC 域,进一步研究观察到在白血病 细胞株 MM-6 中也存在 KDM6A 基因外显子 3~ 10 纯 合子缺失伴 KDM6A 表达缺失,赋予 MM-6 细胞对阿 糖胞苷(arabinosylcytosine,AraC )的抗性;对临床数 据的分析也显示细胞遗传学正常的 AML(cytogeneti‐ cally normal AML,CN-AML )患者初诊时 KDM6A 低 表达可能是不良预后的一个预测因素 。  随后 Stief 等[ 24 ] 对 20 例伴 KDM6A 突变 AML 的研究观察到多数 突变位于 TPR 和 JmjC 结构域,65% 患者存在移码插 入/缺失或无义突变,提示功能丧失表型 。8 例患者 在初诊时即有 KDM6A 突变;在 12/20 例患者中,突变 仅发生在 AML 亚克隆细胞中 ,变异等位基因频率 (variant allele frequency,VAF )低于 15% 。PDX 模型 证实携带 E1325X 突变的复发白血病细胞移植到免 疫缺陷小鼠中可致 KDM6A-E1325X 突变克隆稳定再 生;在未检出 KDM6A 突变的 9 例 AML 中出现 4 例复 发时 KDM6A 蛋白表达显著下降、而 3 例患者复发时 却呈上升态势;进一步对 35 例 CN-AML 的检测观察 到 45. 7% 患者 KDM6A mRNA 表达下调,而 37. 1% 患 者表达上调[ 24 ] 。而 Boila 等[ 25 ] 却检测到原代 AML 细 胞和 AML 细胞系中 KDM6A mRNA 和蛋白表达均上 调 。这可能与病例构成不同有关 。此外,也有研究 观 察 到 不 管 KDM6A 表 达 如 何 ,AML 患 者 存 在 着 KDM6A 高甲基化改变,初诊时 KDM6A 高甲基化患者 生存时间缩短[ 26 ] 。

  

  动物模型研究观察到,KDM6A 条件性敲除后雌 性小鼠脾脏重量明显增加,脾脏和骨髓中以髓系细 胞为主,外周血白细胞不同程度增加,而血红蛋白和 血小板则下降,63% 的 KDM6A−/−小鼠发展为 AML,而 KDM6A+/−小鼠和 KDM6A+/+小鼠均无 AML 形成[ 27 ] 。进 一步研究证实 KDM6A 缺失使 HSPC 处于白血病前状 态,HSPC 显著扩增,粒细胞-单核细胞祖细胞和髓系 祖细胞增加,而巨核细胞-红细胞祖细胞和淋巴祖细 胞则显著减少;KDM6A 缺失激活白血病发展过程中 的致癌性 ETS 转录程序、并通过降低染色质的可及 性和局部 H3K27 的乙酰化来下调 GATA 驱动的基因 程序[ 27 ] 。

  

  此外,体内外研究证实,KDM6A 突变致白血病细 胞对 AraC 的抗性增加,而 KDM6A 敲减同样能够降低细胞对 AraC 和柔红霉素的敏感性,KDM6A 重新表达 则可恢复其敏感性 。KDM6A 缺失介导的 AraC 耐药 是通过下调对细胞摄取核苷及其类似物具有重要作 用的膜转运蛋白 ENT1 表达所致[ 24 ] 。然而,有研究观 察到,KDM6A 与核小体重塑和脱乙酰酶相互作用, 进而调节 AML 细胞中胞质分裂因子 5/8(dedicator of cytokinesis 5/8,DOCK5/8)的表达 ,而针对 DOCK 的 小分子抑制剂 CPYPP 可与 DOCK 同源区结构域结合 并抑制 DOCK 家族蛋白的活性,进而抑制 AML 细胞 活力,减弱 AML 细胞迁移,并诱导凋亡基因表达,而 KDM6A 缺乏则进一步使 AML 细胞对 CPYPP 抑制敏 感[ 28 ] 。这些结果提示 KDM6A 在 AML 中的作用可能 存在着遗传学背景和时空背景下的特异性。

  

  3. 2    KDM6A 在慢性髓系白血病(chronic myeloge ‐ nous leukemia,CML)中的作用   CML 是 BCR-ABL 融 合基因所致的一种造血系统恶性疾病,酪氨酸激酶 抑制剂(tyrosine kinase inhibitor,TKI )的广泛应用使 得 CML 患者的预期寿命近于正常,但仍有 2%~3% 的 患者对 TKI 治疗无反应并发生疾病进展,生存期只 有 7~ 11 个月[ 29 ] 。BCR-ABL1 酪氨酸激酶区突变之外 的其他基因突变在 TKI 治疗反应不佳中的作用已逐 渐成为研究热点之一 。最近 ,Adnan Awad 等[ 29 ] 在 TKI 疗效差的 5 例慢性期 CML 标本中检测到 1 例存 在 KDM6A-R1163P 突变;其后对尝试 TKI 停药的 47 例 CML 患者的研究也观察到 30 例失去主要分子学 反应 ,其中 1 例获得 KDM6A-Q1058X 突变[ 30 ] 。尽管 KDM6A 敲除显著改变了 K562 细胞的组蛋白乙酰化 和甲基化状态,但似乎并未影响 K562 细胞对伊马替 尼、达沙替尼和普纳替尼的敏感性;并且,KDM6A 敲 除后 K562 细胞对 NK 细胞杀伤的敏感性降低,虽然 KDM6A 突变也存在于 CML 患者的 NK 细胞,但在 NK 细胞系 NK-92 中敲除 KDM6A 并未影响其对 K562 细 胞的杀伤活性[ 30 ] 。Zhang 等[ 31 ] 的研究认为,KDM6A 在 CML 患者中表达上调,并且伊马替尼耐药的患者 较治疗有反应者具有更高的 KDM6A mRNA 水平 。 与 Adnan Awad 等[ 29 ] 的结果不同,Zhang 等[ 31 ] 观察到 KDM6A 敲减/敲除后 K562 和 MEG-01 细胞对伊马替 尼诱导的凋亡更为敏感,并且 KDM6A 对于 CML 细胞 在伊马替尼作用下的保护效应并不依赖 BCR-ABL 的 表达或活性;进一步研究观察到 KDM6A 对 CML 细胞 的保护作用也不依赖于其去甲基化酶活性,而是通 过调节原肌球蛋白受体激酶 A(tropomyosin receptor kinase A,TRKA )和神经营养受体酪氨酸激酶 1( neu ‐ rotrophic receptor tyrosine kinase 1,NTRK1)发 挥 作 用,KDM6A 被 YY1 招募到 NTRK1增强子位点后,维持 NTRK1 的组蛋白乙酰化,并与 YY1 共同允许染色 质的可及性,促进神经生长因子(nerve growth factor, NGF ) /TRKA 信号传导,从而保护 CML 细胞免受伊马 替尼的影响。

  

  3. 3    KDM6A 在 慢 性 粒 单 核 细 胞 白 血 病(chronic myelomonocytic leukoemia,CMML)中的作用   CMML 是 一 种 具 有 骨 髓 增 生 异 常 综 合 征(myelodysplastic syndrome,MDS )和骨髓增生性肿瘤(myeloprolifera ‐ tive neoplasm,MPN )重叠特征的克隆性造血干细胞 疾病 。  由于其发病机制的复杂性,目前尚缺乏有效 治疗 。Jankowska 等[ 32 ] 首次在 72 名CMML 患者队列 中检测到 7 例(10%)存在 KDM6A 异常:6 例突变(4 例 错义突变和 2 例无义突变)和 1 例缺失,更常见于晚 期 CMML( CMML-2 和 CMML-AML )中 。对肿瘤体细 胞突变目录数据库的检索结果显示 ,TP53 是具有 KDM6A 突变的全部肿瘤患者中最常见的共突变基因  ( 33. 9%);而在 CMML、CMML-AML、AML 和 MDS 患 者 中 ,KDM6A 突 变 患 者 中 TP53 突 变 率 也 高 于 KDM6A 未突变患者(分别为 21. 7% 和 6. 7%) [ 33 ] 。动 物模型观察到,小鼠敲除 KDM6A 后出现 CMML 样表 现:脾肿大,外周血单核细胞和粒细胞增多但原始细 胞<5%,同时红细胞和血小板减少,肝脾存在着单核 细胞和粒细胞的髓外造血[ 33 ] 。在具有 CMML 样表型 的 KDM6A 敲除小鼠的造血干细胞和祖细胞中观察 到 TP53 显著下调,表明 TP53 下调可能导致 KDM6A 缺失诱导的 CMML 样疾病[ 33 ] 。该研究组进一步制备 了 KDM6A 和 TP53 双敲除小鼠,TP53 单双敲除小鼠 死于 T 细胞淋巴瘤 、肉瘤或畸胎瘤,中位生存期为 6. 2 个月 ,而 KDM6A 和 TP53 双敲除小鼠在 KDM6A 缺失 3 个月后也出现脾肿大,外周血、骨髓、肝脾中 髓细胞和粒细胞显著扩增,伴贫血和发育异常,外周 原始细胞达 5%~16%,并且小鼠寿命显著缩短,中位 生存期仅 3. 8 个月,表明 TP53 缺失可促进 KDM6A 缺 失诱导的 CMML[ 33 ] 。进一步研究表明,KDM6A 缺失 导致造血干细胞自我更新增加,易向髓系分化[ 33 ] 。    3. 4    KDM6A 在 MDS 中 的 作 用    一 项 包 含 738 名 MDS、CMML 和 MDS-MPN 患者的大规模测序中检测 到约 2% 的 KDM6A 突变[ 34 ] 。近期对 20 例 MDS 患者 的 HSPC 和 间 充 质 干 细 胞(mesenchymal stem cell, MSC )的下一代测序研究观察到,8 例(40%)HSPC 和 8 例(40%)MSC 均存在低频 KDM6A 错义/无义突变, 仅 2 例患者的 HSPC 和 MSC 共同存在 KDM6A 突变; 但同一患者的 HSPC 和 MSC 中 KDM6A突变位点并不 相 同[ 35 ]  。  在 HSPC 和 MSC 中 ,KDM6A 突 变 分 别 与 BCORL1 和 PDGFRA 突变的相关性分析具有统计学意义(分别为 P=0. 012 和 P=0. 05 ) [ 35 ] 。该研究结果提 示了 MDS 发病的异质性和复杂性 。最近的动物模型 观察到 KDM6A 条件性敲除雌性小鼠出现年龄依赖 性的 MDS 样表型,KDM6A−/−小鼠出现轻度贫血、脾肿 大及异常骨髓增生,包括双核和发育异常的红系前 体和非典型巨核细胞的前体增加,随年龄增长更明 显,但小鼠没有发展为明显的白血病,也未死于血细 胞减少;竞争性移植小鼠模型也观察到 KDM6A 条件 性 敲 除 的 骨 髓 细 胞 造 血 重 建 能 力 下 降 。  此 外 , KDM6A 缺陷基质可促进 KDM6A 敲除 HSPC 扩增[ 36 ] 。 去 甲 基 化 药 物 是 高 风 险 MDS(high-risk MDS,HR- MDS )的标准治疗手段之一,但多数患者会耐药或复 发 。Polgarova 等[ 37 ] 对阿扎胞苷(azacitidine,AZA )治 疗的 38 例 HR-MDS 患者的基因突变进行了动态监 测,结果显示 AZA 治疗后 VAF 显著降低的患者获得 了临床反应,而发生早期进展的患者突变改变极小; KDM6A 突变患者总生存时间延长;但如在治疗过程 中其 VAF 下降,反应持续时间反而缩短。

  

  4   总结

  

  KDM6A 的表观修饰作用对生理造血有重要意 义,尤其是在促进 HSPC 增殖分化以及维持造血系统 稳态方面 。对多种髓系肿瘤样本的测序均显示存在 KDM6A 突变且与患者预后不良相关,KDM6A 敲除的 动物模型也出现具有髓系恶性肿瘤特征的血液学变 化 。研究者进一步观察到 KDM6A 的作用辐射多条 关键分子通路,作用机制包括去甲基化酶活性依赖 性和非依赖性,且突变的 KDM6A 易与多个髓系肿瘤 病程进展和预后相关基因共突变,继而诱导疾病发 展,促使患者出现耐药和复发 。临床对 KDM6A 的筛 查及开发靶向药物有利于为患者制定更加精细化、 个体化的治疗方案。


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