蛋白赖氨酸甲基转移酶 SMYD3 维持白血病干细胞自我更新和存活导致 imatinib 耐药的研究

Imatinib resistance and disease relapse are among the major challenges for the treatment of patients with chronic myelogenous leukemia (CML). Quiescent leukemia stem cells (LSCs) insensitive to imatinib offer seeds for such resistance and relapse. The signaling pathways for sustaining self-renewal capacity of LSCs are poorly understood. Our preliminary data revealed that protein lysine methyltransferase SMYD3 was selectively overexpressed in human CML LSCs (CD34+ CD38-). Silencing SMYD3 by a specific shRNA induced apoptosis of quiescent CML LSCs and reduced long-term serial colony-forming cell (CFC) replating in methylcellulose medium of CD34+ cells. These findings prompted us to hypothesize that SMYD3 might play a critical role in maintaining the self-renewal and survival capacity of CML LSCs. The present study is aimed to test this hypothesis and elucidate the underlying mechanism that SMYD3 promotes the self-renewal of CML LSCs to confer imatinib resistance; observe the elimination effect of specific SMYD3 shRNA on LSCs in patient samples and CML mice model. Taken together, this study will hopefully shed a light on the understanding of LSCs regulation and validate SMYD3 as therapeutic target to eliminate LSCs.

慢性粒细胞性白血病(CML)临床治疗遇到的主要挑战是imatinib耐药和疾病复发，而白血病干细胞(LSCs)的存在是耐药与复发的重要根源。LSCs自我更新的调控机制仍不清楚。前期研究发现蛋白赖氨酸甲基转移酶SMYD3在CML LSCs(CD34+ CD38-)中高表达，沉默其表达可诱导 LSCs凋亡、抑制CML LSCs的连续集落形成能力。基于这些结果，我们提出工作假设：SMYD3在维持CML LSCs自我更新和存活中发挥重要作用。本课题旨在验证这一假设，进一步系统阐明SMYD3维持CML LSCs自我更新引起imatinib耐药的关键作用；分别在病人原代细胞和CML小鼠模型明确SMYD3基因沉默对CML LSCs的清除作用；揭示SMYD3调控CML LSCs自我更新的分子机制。通过上述研究，预期确认SMYD3作为CML LSCs精准干预的新靶点，提升对LSCs自我更新调控机制的认识。

慢粒白血病(CML)临床治疗遇到的主要挑战是imatinib耐药和疾病复发，而白血病干细胞(LSCs)的存在是耐药与复发的重要根源。LSCs自我更新的调控机制仍不清楚。前期通过分析GSE47927数据库发现蛋白赖氨酸甲基转移酶SMYD3在CML LSCs(CD34+CD38-)中高表达。我们首先按照原计划证实SMYD3高表达促进LSCs的存活和干性，阐明了其分子机制。发现SMYD3在CML LSCs的表达显著高于白血病祖细胞和HSCs。靶向SMYD3降低CML病人LSCs的存活和自我更新。沉默Smyd3清除CML小鼠体内白血病干/祖细胞，延长CML小鼠的生存。为了进一步明确SMYD3维持CML LSCs干性的确切遗传学证据，我们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了Smyd3基因敲除小鼠。Smyd3基因敲除显著抑制了BCR-ABL基因驱动的CML小鼠的病情进展，降低CML小鼠体内白血病干/祖细胞的比例，降低LSCs的频率和自我更新，抑制LSCs在受体小鼠体内移植的能力。更为重要的是Smyd3缺失不影响正常造血干细胞的功能。RNA-Seq测序发现Smyd3敲除降低LSCs中Jag2的表达。JAG2敲低抑制CML病人LSCs的存活和自我更新，延缓CML小鼠的病情进展和清除小鼠体内白血病干/祖细胞，回补实验表明JAG2在SMDY3调控LSCs干性中发挥了关键作用。机制研究发现SMYD3通过催化组蛋白H3K4me2和H3K4me3 促进 JAG2的基因转录维持CML LSCs的干性。SMYD3小分子抑制剂BCI-121显著诱导CML LSCs发生凋亡，抑制CML干/祖细胞的连续集落形成能力。本研究证实了表观遗传蛋白SMYD3促进CML LSCs的存活和干性，阐明了其分子机制，并用SMYD3小分子抑制剂进行干预，为靶向清除CML LSCs提供了新的治疗靶点和小分子化合物。此外，明确了NAE1、EZH2及AXL促进LSCs干性的作用及机制，发现老药扑蛲灵能克服顽固性T315I突变引起的imatinib耐药。与本课题相关的研究成果以第一/共同通讯作者在Cancer Res和Clin Cancer Res等重要专业期刊共发表SCI论文4篇。培养研究生5名。课题负责人入选2019年国家优秀青年基金获得者和2017年广东省特支计划科技创新青年拔尖人才，获批主持国自然面上项目1项。