利用Setd2小鼠模型研究H3K36me3修饰异常的白血病的病理与治疗机制

SETD2 was originally isolated from human hematopoietic stem/progenitor cells by our group. Our previous work characterized it as a histone H3K36 trimethyltransferase, and revealed its specifical roles in primitive endoderm differentiation of mESCs and embryonic vascular remodeling. Recent study of other groups and ours all found that SETD2 mutated in a series of diseases, including acute myeloid leukemia (AML), acute lymphoma leukemia (ALL) and other tumors, leading to abnormal H3K36me3 modification. Based on these finding, in this project, we aim to investigate the mechanism of H3K36me3 modification in leukemia pathology by using our Setd2 conditional knock out mouse model. Furthermore, it was reported that WEE1 inhibitor AZD1175 could significantly kill H3K36me3-deficient cancer cells in vitro. However, whether it has the same effect in leukemia remains unknown. Thus, we will also use our mouse model to address this question, and screen new small molecular chemicals，providing useful evidence for future clinical application.

SETD2是我们组最早在人造血干祖细胞中克隆到的一个基因，我们先前的一系列研究证明其具有H3K36三甲基转移酶活性并能特异性调控小鼠ES细胞的内胚层定向分化及胚胎血管发育。我们实验室和其他课题组最近的研究发现，SETD2在急性髓细胞白血病（AML）、急性淋巴细胞白血病（ALL）及其他多种肿瘤中存在基因突变，引起H3K36me3修饰异常。本项目正是基于这些发现，试图利用我们已建立的Setd2条件性敲除小鼠模型，研究H3K36me3修饰在白血病发生发展中的作用与机制。同时，有研究表明WEE1抑制剂AZD1175对H3K36me3修饰缺陷的肿瘤细胞具有明显的杀伤效果，但是它在白血病中是否有相似的作用目前并不清楚，我们也将利用我们的小鼠模型对这个科学问题进行研究，同时筛选新的小分子化合物，为将来临床应用提供依据。

组蛋白H3K36甲基转移酶SETD2突变常发生于肿瘤，包括白血病中。然而，目前仍然缺乏适合的模型去研究SETD2对造血的贡献及SETD2突变与肿瘤发生的关系。本项研究中，利用前期建立的条件性Setd2基因敲除小鼠模型，我们揭示Setd2缺失会造成造血分化偏倚及多能祖细胞减少。虽然KO小鼠造血干细胞数量上未见异常，但连续性骨髓移植等实验揭示其自我更新及竞争性能力受损。有意思的是，经过一段潜伏期，Setd2缺失的造血干细胞转而能克服生长缺陷，发生骨髓增生异常综合征样恶性转化。基因表达谱分析显示Setd2 KO小鼠的LSK细胞转录特征部分类似于Dnmt3a/Tet2双敲小鼠模型，包括造血系统恶性转化中发挥重要作用的红系转录因子Klf1相关通路的激活。Setd2缺失还能诱导造血干细胞发生DNA复制应激，KO小鼠中复制应激相关的E2F调控通路被激活，核糖核苷酸还原酶亚单位RRM2b的表达受到抑制，导致细胞增殖及周期异常，造血干细胞DNA稳定性降低，致使二次突变累积并协同促进恶性转化。由此，我们的研究结果揭示Setd2在造血干细胞自我更新中具有重要作用，并部分证明了Setd2缺失在肿瘤生成中的作用。.此外，在对Setd2 KO小鼠进行长期随访中，我们发现一只年老小鼠发生了急性髓系白血病，并检测到NrasG12S 和BrafK520E突变及RAS下游通路的显著激活。有趣的是，我们发现此AML模型中同时存在两种白血病起始细胞，分别富集于c-Kit+B220+Mac1-和 c-Kit+B220+Mac1+亚群，且两者能互相转换。进一步整合群体细胞和单细胞转录组测序及体内外功能试验，我们发现Setd2-/--AML的白血病起始细胞存在转录和分化异质性。此外，c-Kit+B220+Mac1+亚群存在蒽环类耐药特征，经体内实验证实，临床上AML的标准化疗药物Daunorubicin和Ara-C（DA）确实只能杀死c-Kit+B220+Mac1-而几乎不能影响c-Kit+B220+Mac1+亚群。进一步分析显示这两群细胞中RAS下游通路激活状态明显不同，联合应用DA和RAS通路抑制剂能同时有效去除c-Kit+B220+Mac1-和c-Kit+B220+Mac1+亚群，并减缓疾病进展。综上所述，这项研究提示转录异质性经常与功能异质性相伴，突出了揭开白血病干细胞异质性并进行有的放矢治疗的重要性。