H3K36组蛋白甲基转移酶SETD2及其截短突变体在造血过程中的作用机理研究

H3K36 histone methyltransferase SETD2 was firstly cloned by our laboratory, after 15 years of original research, we have made a series of innovative results. For the first time, we confirmed that this gene can catalyzed methylation of histone H3K36 and it was indispensable for embryonic development in mice. We also found that SETD2 can catalyze H3K36 trimethylation of gene distal promoter region, which can regulate gene transcription initiation. This new model explained the molecular mechanism of endoderm differentiation defects in SETD2 knockout mouse embryonic stem cells. With the development of second generation sequencing technology in recent years, SETD2 displayed genetic mutation in a variety of tumors. Similar to other reports, we found SETD2 mutated in acute lymphoblastic leukemia, many mutations that cause SETD2 producing truncated proteins. However, up to now, there is no group focus on the role of these truncated proteins in leukemia pathogenesis. In this project, based on the historical background in SETD2 and leukemia research by our lab, we will do our best to study the pathophysiological role of SETD2 and its truncated mutation in the process of Hematopoiesis.

组蛋白H3K36甲基转移酶SETD2是本实验室最早克隆的，经过15年原创性研究，我们取得了一系列创新型成果。在国际上首次证实该基因能够特异性的催化组蛋白H3K36甲基化，并证实它是小鼠胚胎发育不可或缺的因素。我们还发现SETD2可以催化基因远端启动子区域的H3K36三甲基化，从而调控基因转录起始，这一新的调控模式解释了SETD2敲除的鼠胚胎干细胞定向内胚层分化缺陷的分子机制。近年来，伴随二代测序技术的发展，SETD2被发现在多种肿瘤中发生突变。与其它报道相似，我们在急性淋巴细胞白血病标本中发现SETD2基因存在突变，其中很多突变导致SETD2基因产生截短蛋白。但是至今尚无课题组对这些截短型蛋白在白血病致病中的作用展开研究。因此在本项目中，我们将基于对该基因多年研究的积累，并结合本实验室在白血病发病机制研究过程中所构筑的历史底蕴，对SETD2及其截短突变体在造血过程中的病理生理作用展开研究。

近年来，伴随二代测序技术的发展，SETD2在包括白血病的多种肿瘤中发生突变，其中很多突变类型属于“frameshift”突变，提示SETD2在肿瘤中表现为功能缺失突变。通过肿瘤演化的研究发现SETD2突变可能是肿瘤发生的早期驱动因素，但是目前尚无遗传学数据显示SETD2功能缺失与肿瘤形成的直接联系。为了对这一科学问题进行研究，我们构建了Setd2条件性基因剔除小鼠模型，在成体小鼠造血组织中特异性的敲除Setd2基因，然后观察Setd2对正常和异常造血的影响。通过深入细致的研究我们发现Setd2短期（4周）缺失的小鼠外周血白血病数量明显降低，并出现髓系分化偏倚。通过竞争性和非竞争性骨髓移植实验，我们发现Setd2缺失可逐步的耗竭造血干细胞（HSCs）的定向分化和自我更新的能力。对Setd2长期缺失（8月）小鼠的随访中，我们发现KO小鼠出现类似人MDS样的临床症状，表现为严重的贫血、骨髓红系和髓系细胞发育异型、肝脾肿大伴髓外造血。这种HSCs自我更新能力降低但却能引起细胞恶性转化与上世纪60年代的 “Dameshek’s Riddle”观点非常一致，即严重再生障碍性贫血的病人却有着更高的得白血病风险，但是潜在的机制仍然不清楚。通过对短期缺失Setd2 KO和WT小鼠的造血干/祖细胞（HSPCs）进行测序，结果显示Setd2 KO小鼠的转录组特征与Dnmt3a/Tet2双敲除的KO小鼠有着部分相似特征，提示DNA甲基化异常可能参与细胞的恶性转化。利用全基因组DNA甲基化测序，确实发现KO HSPCs中DNA甲基化水平降低，并且一些差异甲基化区域所影响的基因表达调控可部分解释小鼠的表型；此外，在KO中，Setd2缺失可导致DNA复制应激，复制应激可导致基因组的不稳定，一种重要的肿瘤形成机制，通过全基因组测序，在KO小鼠中确实出现大量的DNA突变。基于这些研究，我们认为至少可能存在三种Setd2调控正常细胞恶性转化的分子机制：通过H3K36甲基化调控基因转录、改变基因组DNA甲基化、诱导细胞出现复制应激。综上所述，Setd2在维持造血稳态和防止恶性转化方面发挥着重要作用，可能是通过细胞类型特异性和阶段特异性机制实现的。进一步阐明这些机制的细节将促进我们对发育和癌症表观遗传调控的理解，并提供潜在的新的治疗靶点。