Nat Genet | 杨俊/岳峰团队合作揭示GATA3的遗传性非编码变异增加儿童急性淋巴细胞白血病风险的新机制-技术圈

越来越多的研究表明，遗传性胚系突变和体细胞基因突变都可能促进白血病的发生发展。体细胞基因畸变，包括突变、重排、插入和缺失等，已经被证明能够通过显著促进白血病前造血细胞的生存和增殖来驱动白血病的发生。然而，遗传性白血病的风险因素，尤其是那些在内含子或者基因间位点的非编码变异的在白血病发生发展中的作用，却没有得到充分的研究。尽管全基因组关联性研究（GWAS）已经确定了超过14个基因的常见变异与急性淋巴性白血病易感相关，但这些研究很少对分子机制进行研究。究其原因，大多数与疾病或性状相关的基因突变都定位于基因组的非编码区域，如如启动子、增强子和沉默子等。这些部位的遗传突变通过调节局部或远端的基因转录，从而在疾病的发生和发展中发挥重要作用。但是，由于增强子可以在远至100万个碱基对的上游或者下游，通过染色质环与目标基因相互作用，因此，如何确定目标基因成为研究非编码调控元件的主要挑战。

2022年2月3日，来自美国St. Jude儿童医院的杨俊教授团队和西北大学Feinberg医学院的岳峰教授团队，合作在Nature Genetics线上发表题为“Noncoding genetic variation in GATA3 increases acute lymphoblastic leukemia risk through local and global changes in chromatin conformation”的文章，通过整合5008个急性淋巴性白血病人的靶向测序（targeted sequencing）结果，利用染色质构象捕获（Hi-C）等表观基因组学技术手段，系统地研究了费城样急性淋巴细胞白血病（Ph-like ALL）中GATA3基因的变异，并揭示了其中非编码区致病变异（causal variant）是如何通过影响染色质的三维构象，从而改变细胞信号转导和促进疾病产生的。

杨俊教授团队早在2013年的一篇Nature Genetics文章中就报道了位于GATA3基因内含子中的一些变异跟Ph-like ALL的疾病风险相关，每个拷贝的GATA3风险等位碱基（risk allele）会将患Ph-like ALL的风险提高3.25倍，且多伴随细胞因子受体样因子-2（CRLF2）异常、JAK突变及IKZF1缺失，但是，其中能起决定作用的变异以及其对Ph-like ALL病理发生的贡献机制并不清楚。

在刚发表的文章中，研究人员首先利用靶向测序的方法获得了5008个ALL病人中rs3824462附近的序列，并鉴定出1048个遗传变异，并确定在这个区域中，rs3824662遗传变异和费城样急性淋巴细胞白血病的相关度最高。然后，通过CRISPR定点敲入技术，研究人员在人类淋巴母细胞细胞系GM12878中成功的将非风险性的C等位碱基替换成疾病相关的A等位变异，从而构建了全基因组单碱基差异的杂合和纯合淋巴细胞系。通过对野生和纯合风险等位变异两种淋巴细胞系的表观遗传组学和基因表达图谱的分析，研究者发现，位于GATA3转录因子的第三个内含子上的疾病相关A等位变异位于血液系统特异的增强子区域内。该变异可以招募更多的NFIC转录因子结合在增强子上，从而导致该位点染色质更加开放，增强子的活性增高。

染色质构象捕获实验（Hi-C）也证明该增强子能通过染色质折叠的方式结合在GATA3基因的启动子附近，从而激活GATA3基因的高表达。GATA3是血液发育中重要的转录因子，其高表达后结合在基因组多个区域，导致了系统性的染色质开放，并引起了全基因组水平的染色质三维结构变化。这些变化直接或间接的激活Ph-like 相关癌基因的表达（比如SEMA6A和PON2）。这些在B细胞细胞系中发现的疾病相关的A等位变异导致的染色质修饰和结构的变化，也在Ph-like ALL的病人样品中得到了进一步的确认。例如CRLF2在50%的Ph-like ALL 病人中高表达，该研究发现，由疾病相关A等位变异导致GATA3转录水平升高后，更多的GATA3结合在CRLF2的启动子附近，导致了CRLF2基因的启动子结合到下游300 kb以外的一个超级增强子（super enhancer）上，从而导致了CRLF2基因的高表达。此外，研究人员也证明了GATA3的高表达和JAK2基因突变两者共同作用可以直接在小鼠细胞系模型中诱导恶行转化。

综上所述，本研究发现rs3824662是一个与GATA3转录激活有关的顺式作用增强子上的遗传变异，它不仅导致GATA3在已有结合位点的占用率增加，还导致在全基因组水平上形成新的结合位点。这种全局性的染色质状态变化通过调节CRLF2信号传导而促使Ph-like ALL的发生（图一）。该研究结果表明，转录因子介导的表观基因组重编程可以影响致癌基因的活性，并可能是遗传变异影响癌症发生风险的一个重要机制。

图一：rs3824662单碱基核苷酸变异诱导CRLF2表达的机制模式图

美国St. Jude 儿童医院的杨俊教授和西北大学Feinberg医学院的岳峰教授为本文的通讯作者，西北大学Feinberg医学院的研究助理教授杨红波、美国St. Jude儿童医院的博士后张辉（现任职国家儿童医学中心上海儿童医学中心，zhang-hui@scmc.com.cn）和西北大学Feinberg医学院博士后栾宇为本文的共同第一作者，西北大学Feinberg医学院的博士后刘婷婷等也为本研究作出重要贡献。第一作者杨红波研究助理教授已于2021年9月加入复旦大学生殖与发育研究院建立新实验室，诚招对人类疾病3D基因组学或表观组学领域感兴趣的博后及学生，有意者请联系：hongboyang@fudan.edu.cn。

导师推荐 | 第 4 期临床基因组家系分析,同时解决科研和临床问题

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41588-021-00993-x

责编 | 兮 BioArt