责编丨迦溆
表观遗传调控是控制基因表达最基本的方式之一，在许多发育和疾病过程中发挥着重要的调节作用。在诸多表观遗传调控方式中，组蛋白H3K27的甲基化修饰通常和转录抑制的染色质区域相关。
在血液系统恶性肿瘤中，骨髓增生异常综合症（MyelodysplasticSyndrome，MDS）可视为急性白血病前期病变，可能发展为急性髓系白血病（AML）或急性淋巴细胞性白血病（AcuteLymphoidLeukemia，ALL）。已有研究报道，H3K27去甲基化酶JMJD3在MDS和急性T细胞淋巴细胞白血病（T-ALL）中异常高表达并发挥强烈的促癌活性，而JMJD3在AML中的功能并不清楚。因此研究JMJD3在AML中的调节作用及和表观遗传学调控机制，对于白血病的诊断与治疗具有重要意义。
近日，上海交通大医院／上海血液学研究所诸江课题组在NatureCommunications在线发表了题为JMJD3facilitatesC/EBPβ-centeredtranscriptionalprogramtoexertoncorepressoractivityinAML的最新研究成果。该研究揭示，与JMJD3在MDS和T-ALL中的促癌功能相反，在AML中JMJD3低表达并发挥强烈的抑癌功能。JMJD3通过调控一系列关键基因的组蛋白H3K4和H3K27甲基化水平，并激活以C/EBPβ为中心的转录调控程序，促进白血病细胞的分化、凋亡并抑制细胞增殖，从而抑制白血病细胞在体内的恶性进展。
白血病是一类严重影响人类健康的恶性血液肿瘤性疾病，其特征为骨髓和其他造血组织中的白血病细胞的异常增生，并浸润和破坏各种组织器官。急性白血病按白血病母细胞（blasts）的谱系特征分为AML和ALL。MDS可视为急性白血病前期病变，可能发展为AML或ALL。其中，AML目前占成人急性白血病的约80%，儿童白血病的约20%。对AML而言，尽管一些亚类/型对现行化疗和其他生物学治疗模式（如骨髓移植和免疫疗法）具有明显治疗反应，甚至可出现完全临床缓解。但大多数AML亚型预后不良，总5年生存率仅约为25%。考虑到AML是一种遗传多样性的高度异质性的血液系统恶性肿瘤，其表观遗传学特征直接影响疾病缓解的可能性和复发的风险。因此，更深入了解其表观遗传学过程，可能帮助我们洞察AML发生和发展的分子机制，并提供预后信息和潜在的治疗靶点。
H3K27me3/me2的去甲基化反应主要由包括含JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶JMJD3和UTX完成。与UTX在大部分类型的组织中稳定表达不同，JMJD3在许多压力或致病因素的条件下诱导表达。除了参与重要的发育生物学过程，JMJD3也在很多疾病或肿瘤的发生发展过程中发挥关键作用。研究发现，在肝癌、肺癌和黑色素瘤中，JMJD3发挥抑癌基因的活性；而在神经胶质瘤和多发性骨髓瘤中，JMJD3则发挥癌基因的活性。在恶性血液系统肿瘤方面，在MDS患者的CD34+的造血干/祖细胞中，JMJD3表达水平的异常升高与NF-κB以及先天免疫途径的活化相关，提示其在MDS发生过程中发挥癌基因的活性。与之相似的是，在NOTCH1驱动的T-ALL中，NF-κB诱导JMJD3表达水平的上调，JMJD3进一步和NOTCH1在蛋白水平相互作用，激活T细胞相关肿瘤特异性靶基因的表达（下图）。
在这项研究中，研究人员发现与正常受试者相比，在AML患者的骨髓和外周血中，JMJD3的mRNA表达水平显著降低。其中，JMJD3mRNA水平减少最明显的AML亚型为粒细胞白血病亚型（包括M1、M2和M3），这些亚型都显示出不成熟的粒系祖细胞的特征。
该研究利用3种亚型的小鼠AML模型，包括一个表达人AML1-ETO9a融合基因的粒细胞白血病模型（M2b模型），一个表达人PML-RAR融合基因的粒细胞白血病模型（M3模型）和一个表达人MLL-AF9融合基因的单核细胞白血病模型（M5模型）。结果显示，在M2b和M3模型中，通过慢病*介导的JMJD3过表达能有效抑制两种粒细胞白血病的体内增殖，并显著延长受体小鼠的生存期；另一方面，在M5模型中过表达JMJD3后只是中等程度地抑制AML细胞的体内增殖。此外，在白血病细胞系和白血病病人原代细胞中，JMJD3也能够以一种组蛋白去甲基化酶依赖的方式，促进细胞分化、凋亡并抑制细胞增殖，从而发挥抑癌基因的功能。
为了寻找JMJD3的下游基因，研究者分析了JMJD3过表达或JMJD3敲除的白血病细胞相应的mRNA表达谱的改变，其中包括一系列与分化、凋亡、细胞周期和固有免疫相关的基因，并最终找到了2个关键基因：C/EBPβ—它参与应激造血，并通过促进髓系成熟抑制慢性粒细胞白血病的肿瘤进展；RIPK3—在白血病细胞中通过激活IL-1β参与先天免疫途径的关键抑癌基因。他们发现C/EBPβ或RIPK3的缺失都能阻断JMJD3诱导的髓系分化、凋亡和细胞周期阻滞。通过ChIP-seq分析，研究者发现JMJD3缺失后，在基因组范围内很多关键基因的调控区域出现H3K4me3的丰度下降和H3K27me3的丰度增加。在基因敲除的白血病细胞中，大多数下调基因的调控区域呈现H3K4me3的下调和H3K27me3的上调。
最后，研究还发现在相当一部分在白血病细胞中过表达JMJD3后上调的基因，也是C/EBPβ的直接靶基因中，提示C/EBPβ作为一个主要的转录因子，招募JMJD3到靶基因的调控区域。与之一致的是，C/EBPβ缺失显著抑制JMJD3对靶基因的结合，并抑制JMJD3对靶基因的转录激活。在白血病细胞和髓系祖细胞中，内源性JMJD3和C/EBPβ可以发生直接相互作用。ChIP-seq结果表明，在基因组范围内很多区域，JMJD3和C/EBPβ有很多高度相似的结合位点，提示它们潜在地共同调控很多基因的表达。
在这项研究中，有证据提示，在AML中抑制JMJD3或JMJD3与C/EBPβ的相互作用是一个重要的致癌事件，以维持AML细胞（特别是M2亚型和M3亚型）白血病的肿瘤特性，而JMJD3可以激活AML关键髓系调控基因的表达，促进髓系分化并使其丧失在体内重建白血病的能力（下图）。研究结果提示，通过针对JMJD3组蛋白去甲基化酶活性的研究，可能为白血病的治疗提供潜在分子靶点。
据悉，医院血研所诸江为本文的通讯作者，余山河博士、朱康勇和陈娟为本文的共同第一作者。
诸江教授现为上海交通大医院/上海血液学研究所/医学基因组学国家重点实验室“造血细胞信号转导和干细胞研究室”课题组长，近年来以通讯作者身份在Molecularcell、NatureCommunications、CellReports、PNAS等期刊发表论文多篇。余山河博士毕业于上海交大医学院，于年6月加入诸江教授实验室，主要从事表观遗传在正常造血和恶性造血中的功能和机理方面的研究。
参考文献：
1Koh,Y.etal.,Prognosisofsecondaryacutemyeloidleukemiaisaffectedbythetypeoftheprecedinghematologicdisordersandthepresenceoftrisomy8.JPediatrHematolOncol().
2Maschan,A.A.etal.,DevelopmentofT-cellacutelymphoblasticleukemiainapatientinverylonglasting