ATAC-Seq和RNA-Seq揭示白血病发病机制 |

发布于 2020年8月19日

作者的目的是确定儿童T细胞白血病细胞受阻的发育阶段，并根据ATAC-Seq确定白血病发生机制。人健康T细胞的7个发育阶段的染色质可及性图谱显示，在T细胞成熟过程中染色质逐渐凝聚。2823个特征性染色质区域区分发育阶段的准确性为95%。SAE1周围的开放染色质被鉴定为最能区分胸腺发育阶段，表明SUMOylation在T细胞发育中的潜在作用。利用特征性区域反褶积显示，包括那些具有成熟免疫表型的T-ALL，与大多数未成熟群体相似，这一点被TF结合motif图谱所证实。作者整合了ATAC-Seq和RNA-Seq，发现一个与白血病无关的基因DAB1在T-ALLs中过表达、异常剪接和高度可及性。DAB1阴性的患者形成了一个独特的亚群，具有特别不成熟的染色质谱和SPI1（PU.1）的高度可及性结合位点，SPI1是一种对正常T细胞成熟至关重要的TF。总之，我们对染色质可及性和TF结合位点分析表明，儿童T-ALLs细胞与未成熟胸腺前体细胞最相似，表明早期发育停滞。

英文名称：Chromatin accessibility landscape of pediatric T-lymphoblastic leukemia and human T-cell precursors

中文名称：儿童T淋巴细胞白血病和人类T细胞前体的染色质可及性概况

期刊：EMBO Molecular Medicine

IF：8.821

作者：Andreas E Kulozik

单位：德国海德堡大学

时间：2020.8.5

材料与方法

试验材料：原代细胞来自ALL-BFM 2000、ALL-BFM-2009、CoALL03和 CoALL09四名志愿者模型小鼠

试验方法：ATAC-Seq、RNA-Seq

研究结果

1、全基因组染色质可及性在T细胞发育过程中逐渐发生变化

使用ATAC-Seq，作者从6名接受心脏手术的健康儿童胸腺中获得了7个健康T细胞前体（DN2、DN3、ISP、DPCD3^–、DPCD3⁺、SPCD4⁺和SPCD8⁺）染色质可及性图谱（图1A）。染色质可及性随着成熟而逐渐减少，并在DP和SP阶段达到最小（图1B）。此外，作者根据可及性模式的变化将68,415个OCRs分为四种模式（递增、递减、波动和稳定），并发现在胸腺细胞成熟过程中，大多数OCRs（59%）保持稳定（图1C）。作者发现29%的OCRs可及性变少，只有0.3%可及性增加，这表明发育中的胸腺细胞的染色质组织特征是关闭/浓缩的，那些区域在不成熟的前体细胞可及性更高（图1C）。PCA分析显示可以根据发育阶段进行聚类，并显现出重叠的轮廓，因此表明T细胞成熟过程中染色质的重塑是连续的过程（图1D）。

图1通过ATAC-Seq染色质可及性区分健康T细胞前体的成熟阶段

2、染色质的发育阶段特异性构象揭示了T细胞发育的关键调控区域

所有特征区域聚类热图将7个T细胞类群按其成熟的顺序聚集在一起，突出了T细胞成熟过程中染色质可及性的持续变化（图2A）。连续发育阶段的逐渐变化导致了DN3和ISP之间的轻度分离，双阳性阶段CD3^–和CD3⁺（图2A）导致在使用CIBERSORT反褶积算法预测细胞类型预测精度不理想。利用主成分1和2的转换，量化了特征OCRs的重要性并发现SUMO1激活酶亚基1上有一个峰（图2B）。此外，OCRs差异可及性附近有阶段性特征已知基因如CD8A和RAG1/2（图2B）。双阳性组OCRs在与造血和白细胞分化相关的terms富集，单阳性组在免疫系统调节相关的terms富集（图2C）。然而，双阴性特征峰只富集在一个GO-term即白细胞迁移正调节（图2C）。

图2染色质开放区域区分T细胞的发育阶段

3、差异motif富集分析揭示调控T细胞发育的关键转录因子

为了增强motif预测的特异性，作者进一步从HINT-ATAC预测候选的转录因子结合位点（图3A）。图3B中绿色为SPI1、Bach2、IRF1和IRF2。EV5数据库中TFs包括MAF::NFE2、Bach1::Mafk和ETS相关家族TFs（ELF1/4、ELK1/3和ETV3 ）（图3B）。最后。作者确定了7个目前与T细胞发育无关的TFs（图3B）。

图3 开放的染色质区域包含成熟的特定的转录因子结合motif

4、未成熟的胸腺T细胞前体与T-ALLs共享开放的染色质区域

29个PDX模型中有7个对应19个T-ALLs患者中的4个（图4A），之前被证明可以再现原发性白细胞样本的染色质可及性，与原始患者相比，ATAC文库富集在TSS区域。白血病样品2,823个细胞特征OCRs PCA分析显示与健康T细胞分离，将其定位在早期DN2和DN3&ISP发育阶段附近（图4B）。19例白血病患者中16例早期发育组DN2和DN3&ISP至少占40%（图4C）。值得注意的是，即使是被免疫表型分类为成熟的T-ALLs也表现出早期DN2染色质可及性概况的实质性贡献，表明即使是以成熟免疫表型为特征的T-ALL亚型也类似于未成熟的胸腺前体（图4C）。通过ATAC-Seq peaks数量衡量，染色质可及性随着T细胞的成熟而降低（图4D）。虽然T-ALLs与早期DN2群体最相似，但是T-ALLs的peaks数明显高于分类后的T细胞群（图4D）。132个早期特异性TF结合位点如Bach1/2、Maf和Nfe212，109个在白血病中显著富集，然而115个中间和成熟特异性TFs中只有12个在T-ALLs中富集（图4E）。在T细胞白血病中，以正常DP和SP阶段为特征的TFs结合位点motifs趋向减少（图4E）。

图4 T-ALL染色质可及性概况与正常人T细胞发育的不成熟阶段最相似

5、与正常人未成熟T细胞相比，T-ALLs染色质可及性更强

T-ALLs中有46,188 OCRs可及性，健康T细胞前体有11,243 OCRs可及性（图5A）。此外，基于所有OCRs的无监督学习PCA分析显示T-ALLs和健康T细胞明显分离，表明T-ALLs染色质可及性图谱与胸腺中健康T细胞完全不同（图5B）。

6、T-ALLs两个亚群DAB1和SPI1过表达

由于患者异质性较高（图5B），作者对每个患者进行了DESeq2差异分析鉴定复发事件。与健康T细胞前体相比，作者在至少5个T-ALLs中鉴定出292个差异基因和差异可及性OCRs（图5C）。102个峰/基因可及性强并过表达，191个峰/基因可及性弱并低表达（图5C）。4例未表达DAB1的患者（P3、P4、P27和P69）形成了一个不同的亚群其特征是SPI1过表达，发育早期DN2贡献率特别高（图4C），3例患者TF SPI1（PU.1）结合位点可及性更高（图4E）。基因表达和染色质可及性差异分析显示，表达SPI1的患者以基因过表达/超可及性为特征，并决定了T细胞发育的早期第一阶段。这些基因包括MEF2C、MEIS1和HOXA9 ，基因特征为B细胞前体如LYN、BTK、cyclin D2、CD79A、CD79B和CD72（图5D）。DAB1过表达和超可及性T-ALLs趋向于T细胞发育后期2和3阶段过表达基因如TCF7、LEF1和RUNX1（图5D）。综上所述，这些数据涉及到DAB1和SPI1一个未知的相互排斥的生物学意义，并将T细胞发育阶段，即儿童T- ALLs可能起源于成熟T细胞发育途径的不同层次，尽管早期水平始终一致。