Nature Genet｜中美专家合作研究解密：为什么孩子会得白血病？

撰文 | 张辉 责编 | 周叶斌

儿童急性淋巴细胞白血病（Acute Lymphoblastic Lukemia, ALL）的发病高峰年龄在2~5岁，是儿童中最常见的恶性肿瘤。孩子被诊断为ALL时，家长总是不免会问：“为什么我的小孩会这么不幸”，或是，“医生，我的小孩怎么就得了这个病”。

越来越多证据表明：相较于成人ALL，儿童ALL发病有显著的遗传易感性。通过全基因组关联研究（Genome-Wide Association Studies，GWAS），至今已发现15个与儿童ALL发病相关的遗传变异位点，分别位于GATA3、ARID5B、IKZF1、CEBPE、PIP4K2A-BMI1、CDKN2A/2B、LHPP、ELK3、BAK1、IGF2BP1、USP7、IKZF3、ERG、TP63和SP4，它们不同程度地增加了儿童ALL的发病风险。

然而，GWAS明确的这些位点只是提示增加风险，这些变异到底是通过什么机制增加发病风险、与什么样的白血病风险相关、是否可以预防呢？这些问题仍有待回答。

2022年2月3日，美国圣裘德儿童医院杨俊教授及其团队国家儿童医学中心上海儿童医学中心张辉医生，和美国西北大学芬伯格医学院岳峰教授及其团队复旦大学妇产科医院杨红波研究员、栾宇博士后，在Nature Genetics发表题为“Noncoding genetic variation in GATA3 increases acute lymphoblastic leukemia risk through local and global changes in chromatin conformation”的文章。

该研究通过对ALL胚系样本进行深度靶向测序发现：位于GATA3基因的rs3824662遗传变异与儿童费城染色体样急性淋巴细胞白血病（Ph-like ALL）发病风险高度相关。并用组学实验发现rs3824662风险等位基因A通过在基因座形成增强子，募集上游转录因子核因子I/C，顺式激活GATA3转录，进而通过重塑染色质空间构象激活Ph-like特征性基因转录，从而导致B淋巴细胞具备Ph-like的表型特征。用白血病细胞转化模型，以及斑马鱼模型，发现GATA3通过激活CRLF2-JAK2-STAT5信号转导促进B淋巴细胞的Ph-like ALL白血病转化过程。该研究为系统性研究儿童ALL遗传易感性提供了模范式参考，丰富了预防ALL的认识，让风险人群甄别和早期预防更精准。

儿童费城染色体样急性淋巴细胞白血病（Ph-like ALL）是一组与费城染色体阳性ALL具有相似表达谱特征的ALL亚型，预后不良。为了明确儿童Ph-like ALL发病的遗传易感性，研究团队在前期基础上，对5008名B细胞ALL儿童（包括985名Ph-like ALL）的GATA3基因座进行了深度靶向测序并进行易感性分析，结果显示：rs3824662的风险等位基因A的相关性最高，且相关性独立于性别、年龄、人种，提示该变异位点的功能普遍性。

GATA3是T淋巴细胞特异性转录因子。然而，rs3824662并不在GATA3外显子区域，因此不影响GATA3蛋白功能。那么问题就来了，在B-ALL中的GATA3 rs3824662到底怎么影响儿童Ph-like ALL的发病？研究团队通过整合Roadmap Epigenomics Project数据和荧光素酶报告基因实验发现，rs3824662风险等位基因A通过在B淋巴细胞中形成一增强子，该区域为染色质开放松弛特征，更有意思的是：在正常B淋巴细胞株和B-ALL病人的正常B淋巴细胞，都发现该现象。

rs3824662与Ph-like ALL易感性相关，风险等位基因A赋予增强子活性和开放染色质状态相关。A）深度靶向测序揭示GATA3基因座与Ph-like ALL发病易感性。B）Roadmap Epigenomics Project分析显示rs3824662位于B淋巴细胞的潜在增强子区域。C）在正常B淋巴细胞GM12878中验证rs3824662风险等位基因获得增强子活性。D-F）通过正常B淋巴细胞系和B-ALL病人的正常B淋巴细胞的表观遗传研究显示：rs3824662风险等位基因A所在区域为开放染色质状态。

GATA3 rs3824662风险等位基因A的增强子活性，到底在上游通过什么转录因子产生转录激活功能，又是激活了哪些基因的转录，以及这种转录激活产生怎样的与Ph-likeALL相关的特征呢？为了回答这个问题，研究团队进行了系列实验。通过Capture-Seq和TADqPCR发现：rs3824662通过与GATA3启动子区域相互作用，顺式激活GATA3转录，而对同一个拓扑相关结构域中的其他基因却并不产生影响。进而通过DNA结合预测和ChIP-qPCR、过表达和干扰等实验，证明转录因子NFIC结合rs3824662风险等位基因A而非等位基因C，激活GATA3转录。GATA3的表达增加，进一步结合在B淋巴细胞的Ph-likeALL相关基因的调控区域，尤其是转录起始位点，从而让B淋巴细胞易感于Ph-likeALL表型。

rs3824662风险等位基因A通过顺式激活GATA3转录，促进Ph-like ALL特征性基因表达。A）rs3824662风险等位基因仅对同一拓扑相关结构域中的GATA3转录产生影响。B）染色质构象捕获显示rs3824662与GATA3启动子相互作用。C）荧光素酶报告基因实验显示：rs3824662风险等位基因A的增强子活性随着NFIC的共表达而增加。D）NFIC干扰或敲除都使得GATA3表达显著降低。E-H）B淋巴细胞中，GATA3过表达结合在Ph-like ALL特征性基因，尤其是在其转录起始位点结合。

GATA3 rs3824662风险等位基因A只与GATA3的表达量相关，却不影响GATA3的蛋白质功能。为什么GATA3 rs3824882风险等位基因A在B淋巴细胞中能产生如此剧烈的反应呢，这里面藏着什么秘密？研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑的B淋巴细胞和B-ALL细胞的HiC和ChiPseq数据进行构象分析发现：rs3824662等位基因从C变A，B淋巴细胞的染色质空间构象发生转换，尤其是在Ph-like ALL相关基因上。

GATA3重构B淋巴细胞染色质空间构象。A-B）对CRISPR/Cas9基因编辑后的GM12878(A/A)细胞比GM12878(WT)细胞进行HiC，发现rs3824662风险等位基因A能重构B淋巴细胞染色质构象。C-D）染色质构象重塑在Ph-like ALL特征性基因上尤为突出，如PON2。

是怎么样的构象改变，产生Ph-like ALL的特征呢？

GATA3增加增强子-启动子相互作用，促进Ph-like ALL特征性基因的转录和相互作用。A-C）在CRISPR/Cas9基因编辑的B淋巴细胞中，HiC数据显示rs3824662风险等位基因A能更显著影响基因调控结构域之间的相互作用，尤其是增强子和启动子之间的作用。D-E）除了对Ph-like ALL特征性基因表达产生影响外，研究还发现rs3824662风险等位基因A的携带，在融合基因的伙伴基因附近高度富集，并在两个伴侣基因间形成一个染色质环，促进融合基因的发生。

遗传易感的分子机制研究希望让潜在ALL患儿从根源上受益。为了更深入的回答这个问题，研究团队基于上述的结果，通过多西环素控制的GATA3诱导型表达细胞株研究发现：GATA3诱导过程中，CRLF2表达上调，同时活化了JAK2-STAT5。白血病转化模型进一步证实GATA3通过激活CRLF2-JAK2-STAT5信号转导通路，促进淋巴细胞的白血病转化。该现象在GATA3的斑马鱼实验上，也得到了验证。

GATA3通过活化CRLF2-JAK-STAT信号转导通路，促进B淋巴细胞白血病转化。A-B）GATA3直接调控CRLF2转录。C-D）GATA3通过激活JAK2-STAT5信号转导通路促进B淋巴细胞白血病转化。E-G）GATA3过表达的细胞更具备造血增殖优势。H）GATA3 rs3824662风险等位基因易感B-ALL的模式图。

综上，该研究从临床问题出发锁定易感性位点，通过基础研究明确其易感性机制发现T淋巴细胞特异性转录因子GATA3在B淋巴细胞中异常高表达，通过重塑B淋巴细胞染色质空间构象，富集结合在Ph-like特征性基因启动子/增强子区域，启动其转录，进而通过活化JAK2-STAT5信号通路导致B淋巴细胞发生白血病转化。

更有意思的是，该研究团队围绕该遗传变异的研究同时发现：GATA3 rs3824662遗传变异与儿童B-ALL早期治疗反应不良高度相关，机制研究显示GATA3通过激活JAK2-STAT3-自噬信号转导，使得ALL细胞对门冬酰胺酶耐药，从而导致早期治疗反应不良（J Natl Cancer Inst, 2021；Clin Transl Med, 2022）。

该系列围绕GATA3 rs3824662遗传变异的研究，真正从临床出发，转向科学研究，又回归临床指导临床精准分层与预测，改善临床ALL诊疗，为系统性研究儿童ALL遗传易感性提供了模范式参考。尽管如此，病人家长的问题，我们现在仍不能很好地回答，只有通过一项项精致细致的研究，才能更接近真相，从而更好地服务临床，更好地改善儿童ALL的防治工作。

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