组蛋白修饰酶SETD2功能缺失促进MLL白血病发生的表观遗传调控机制

Histone modifications play important roles in leukemogenesis and are potential therapeutic targets, however the pathogenic mechanism of histone modification disorders is not clear. Our previous study showed that histone methyltransferase SETD2 is frequently mutated in acute leukemia, notably with the highest mutation frequency (22%) in MLL-rearranged leukemia, which causes dysregulation of histone H3 lysine 36 tri-methylation (H3K36me3). Therefore, the study provides compelling evidence for SETD2 as a new tumor suppressor gene. In this project, we will use MLL-rearranged leukemia as a disease model to study the molecular mechanism of histone methylation in driving tumorigenesis. Functional genomics tools such as RNA-seq and ChIP-seq will be used to study the whole-genome localization and transcription regulation of H3K36 methylation. We will also investigate the cooperation between H3K79 and H3K36 methylation dysregulations during leukemia development, which are caused by MLL translocation and SETD2 mutation, respectively. Eventually, the biology function of critical genes and signaling pathways will be validated by in vivo and in vitro experiments. This study will reveal the pathogenic mechanism of SETD2 mutation in leukemia on the molecular level, is of important scientific significance in elucidating the epigenetic mechanisms to promote tumorigenesis, and can provide potential key targets for developing new therapeutic strategy.

组蛋白修饰在白血病发生中占有重要地位且为潜在治疗靶点，然而目前对组蛋白修饰紊乱的致病机制研究尚不明确。我们前期研究发现组蛋白修饰酶SETD2在急性白血病中频繁突变，引起组蛋白H3第36位赖氨酸三甲基化（H3K36me3）修饰的紊乱，是一个关键的抑癌基因。本项目以SETD2突变最常见的白血病亚型（MLL白血病）为模型，探讨组蛋白甲基化修饰在肿瘤驱动作用中的分子机制。我们将整合RNA-Seq和ChIP-Seq等功能基因组手段研究H3K36甲基化修饰的基因组定位及其对白血病转录紊乱的调控作用，探索MLL基因易位导致的组蛋白甲基化紊乱（H3K79）和SETD2介导的表观通路（H3K36）在白血病发生的协同作用机制，最后通过功能实验验证关键基因和信号通路的作用。研究将在分子水平揭示SETD2突变引发白血病的致病机理，对阐明表观遗传机制促进肿瘤发生有重要科学意义，为开发新的治疗策略提供潜在的关键靶点。

近年来表观调控因子在多种人类癌症中相继检测到突变，表明它们在肿瘤发生中具有重要的功能。我们的前期工作表明SETD2基因在混合谱系白血病（MLL）中具有20%以上的功能缺失性突变，明显高于其他类型白血病，但SETD2突变促进MLL白血病的作用机制尚未有报道。SETD2是哺乳动物中唯一修饰H3K36me3的甲基转移酶，SETD2功能缺失会导致H3K36me3修饰降低。在MLL白血病中，MLL融合蛋白会招募组蛋白甲基转移酶DOT1L，导致异常高水平H3K79me2修饰并激活MLL融合基因靶基因的表达。我们推测H3K36me3及H3K79me2之间可能存在相互作用，协同促进白血病进展。.我们使用Mll-AF9基因敲入（MA9）小鼠并构建了SETD2功能缺失的MA9细胞，通过染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）、转录组测序（mRNA-seq），并结合功能实验，发现在MLL白血病中H3K79me2和H3K36me3均异常高水平修饰，并且共同富集于特异的基因集。SETD2功能缺失后，全基因组范围H3K36me3下降，但可以进一步促进H3K79me2修饰水平，这一动态的组蛋白修饰变化并没有影响已知MLL靶基因的转录，而是调控了两种组蛋白修饰共同富集的新的基因集。其中抑癌基因ASXL1等被抑制，而癌基因ERG等被激活。.我们的工作在肿瘤研究领域首次揭示了全基因组水平两个表观调控通路的功能协同，表明MLL白血病中致癌通路DOT1L-H3K79me2和抑癌通路SETD2-H3K36me3相互作用并调控基因转录，进而协同促进MLL白血病的进展。同时我们发现了传统MLL靶基因以外的关键致病基因，为临床提供了新的治疗靶点，有望解决白血病病人由于SETD2突变导致的化疗耐药难题。.此外，针对常规高剂量化疗引起的感染死亡和耐药两大突出临床问题，我们在先期工作基础上，开创性地进行了低剂量化疗方案联合G-CSF治疗儿童白血病的探索研究。通过全外显子组与靶向深度测序证实低剂量方案能够在分子水平取得与标准方案相当的突变清除效率，结合临床数据证实低剂量方案在保持疗效的同时能够降低毒副作用和花费，对不耐受及贫困患者有重要的临床和社会意义。