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范斯斌 综述 施均 审校
中国医学科学院北京协和医学院血液学研究所血液病医院贫血诊疗中心,天津300020
获得性骨髓衰竭克隆性造血病理机制
范斯斌 综述 施均#审校
中国医学科学院北京协和医学院血液学研究所血液病医院贫血诊疗中心,天津300020
获得性骨髓衰竭(acquired bonemarrow failure,aBMF)是一组以造血功能不良为主要特征的疾病,其临床表现复杂多样,常见于骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndrome,MDS)、再生障碍性贫血(aplastic anem ia,AA)和阵发性睡眠性血红蛋白尿症(paroxysmal nocturnal hemoglobinuria,PNH)。aBMF患者病理性造血微环境“龛”(Nich)中的克隆性造血机制复杂,深入研究其机制对治疗aBMF有着重要的意义。
获得性骨髓衰竭;克隆性造血;骨髓增生异常综合征;再生障碍性贫血;阵发性睡眠性血红蛋白尿症
aBMF是后天因素引起的造血微环境Nich中的造血干/祖细胞(hematopoietic stem and progenitor cells,HSPC)增殖、分化、成熟紊乱的一类疾病,可导致HSPC池功能和(或)数量的异常,继而引发一系或多系血细胞减少,临床常见于MDS、AA和PNH。HSPC与Nich的良性互动调控网络是保证正常造血分化的基础,而克隆性造血与病理性Nich是aBMF病理机制的两大核心环节。有研究表明:克隆性HSPC可诱导病理性Nich,而后者可为HSPC克隆性转化、增殖提供庇护所。
MDS是一组起源于HSPC的恶性克隆性疾病。Woll等[1]研究证实,低危/中危MDS患者骨髓肿瘤干细胞(cancer stem cells,CSC)的免疫学标志为Lin-、CD34+、CD38-、CD90+、CD45RA-,人MDS-CSC能够在小鼠体内重建MDS表型,产生人MDS克隆性定向粒-单核系祖细胞、定向巨核细胞-红系祖细胞;MDS疾病恶性转化中获得的二次/多次分子突变克隆均携带有MDS-CSC原有的del(5q)标志。此外,骨髓造血微环境紊乱、伴或不伴有基因突变的表观遗传学异常(如DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA剪接异常及M icroRNA调控异常)也是MDS发生发展的主要病理生理机制。
1.1 造血微环境紊乱
Medyouf等[2]研究发现:MDS患者来源的间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)与MDS自身HSPC共移植给小鼠后,能够支持MDS-HSPC重建MDS表型;而且,MDS-HSPC体外作用正常的MSC能够发生与病理性MDS-MSC相似的基因组转录谱和病理性表型。这些数据有力地证明:MDS造血微环境Nich中的MSC能够提供MDS造血克隆增殖所需要的病理环境,在疾病的进展与恶化过程中发挥了重要作用,其中造血微环境Nich中的CDH2、IGFBP2、VEGFA及LIF等细胞因子有诱导MDS克隆性造血的作用[2-3]。与正常MSC相比,MDS-MSC细胞的体积更大,外观呈平坦颗粒状[4-5]。蛋白质印迹法的结果显示,MDSMSC自身分泌的衰老相关蛋白P53及P21水平较高,可加速HSPC的衰老进程[4]。此外,细胞周期相关基因DKN2B在MDS-MSC中呈高表达(8~11倍于正常MSC)[5],可进一步干扰MSC的生长动力,并造成MSC对正常HSPC的造血支持功能锐减[4]。据此推测:MDS-MSC形态学及增殖能力异常,在一定程度上诱导HSPC细胞周期紊乱,使造血支持功能降低[4-7]。另外,MDS-MSC可下调细胞周期蛋白依赖性激酶(如CDKN1、CDKN2、CDKN2B、PSRG1)表达,活化非经典Wnt信号通路,导致MDS-MSC增殖分化能力受损、衰老加速,进一步损伤自身对HSPC的支持功能[7]。研究还发现,MDS-MSC抑制丝氨酸蛋白酶抑制剂Kunitz2型(SPINT2)的表达,间接促进了肝细胞生长因子表达,导致MSC自分泌SDF-1因子的增加,改变α-整联蛋白基因表达谱,促进多潜能病态造血细胞与造血微环境Nich之间的黏附,协助恶性克隆性HSPC的自我更新、增殖、归巢,最终诱导MDS表型[8]。TP53基因缺失合并Egr1及Apc基因单倍体缺失,导致基因丧失稳定性,造血微环境稳态失衡,可诱发伴有del(5q)的治疗相关髓系恶性肿瘤[9]。
因此,以病理性MSC为特征的MDS骨髓造血微环境Nich异常在MDS表型发生、疾病发展过程中发挥了重要作用,可干扰正常HSPC增殖、分化、凋亡及正常造血功能,诱导MDS的初始表型,诱发HSPC病态细胞恶性增殖;反之,病理性HSPC的克隆性增殖优势可进一步促进MDS向急性白血病转化。
1.2 基因组及表观遗传学异常
1.2.1 DNA甲基化 基因组及表观遗传学改变是MDS发生发展的另一个重要的病理环节。正常造血调控基因表达需要富含CpG岛的基因启动子以去甲基化的形式存在;全基因组或特定区域DNA甲基化异常(获得或缺失)可直接影响并独立调控基因的表观遗传学特性[10]。DNA甲基化异常及CpG岛广泛羟甲基化可沉默细胞周期调控相关基因,包括信号转导相关基因FADD、DAPP1和细胞凋亡相关基因CYFIP2、FADD[11],从而干扰细胞周期稳态,诱发MDS,并导致疾病进展[10]。研究发现,重要调控基因CpG岛甲基化可加速MDS向急性髓系白血病(acutemyeloid leukem ia,AML)的转化,降低患者总生存率及白血病前期生存率[11-12]。
TET2和DNMT3A是DNA甲基化修饰过程中两种重要的调控基因,两者在MDS患者中的突变率较高,19%~26%的MDS患者存在TET2基因失活性突变[13]。多因素分析表明,MDS患者接受异基因造血干细胞移植(hematopoietic stem cell transplantation,HSCT),具有TET2、DNMT3A基因突变阳性患者复发率和死亡风险高的特点;随访观察表明,TP53、TET2或DNMT3A基因突变均可独立缩短移植后患者的总生存时间,且死亡患者中携带有上述基因突变者占64%。最重要的是,TP53、TET2基因突变皆为预后不良的独立危险因素[14]。然而另有研究报道,TET2基因突变与患者的总生存时间无关,并将DNMT3A基因突变列为预后不良因素[15-16]。那么,TET2及DNMT3A基因突变究竟是如何干扰DNA甲基化并促进MDS患者克隆性进展的,目前并无定论,尚需进一步研究探索。
有研究报道,与MDS患者相比,MDS继发AML患者的IDH1基因突变率更高(3.6%vs 7.5%)[17],这提示IDH基因突变可作为预测MDS患者克隆性进展为AML的分子标志[17-18]。然而,Chotirat等[19]对22例MDS患者进行IDH基因测序时发现,IDH1G10G及IDH2 R140Q的等位基因突变率低(分别为9.09%和4.54%),推测IDH基因突变并非MDS克隆性进展为AML的核心环节。但考虑到上述研究的病例样本量小(n=22),尚不足以否定IDH基因突变对MDS克隆性进展的驱动作用。
1.2.2 组蛋白修饰异常 乙酰化、羟甲基化、泛素化等组蛋白转录后的修饰是表观遗传学调控的重要组成部分。作为多梳抑制复合物2的催化成分,EZH2基因可调节HSPC分化并通过催化H3K27me3的修饰来抑制目的基因的转录[20]。约10%的MDS患者存在EZH2基因失活性突变。体内实验发现:EZH2基因缺失可诱导HSPC发生RUNX1S291fs突变;在此基础上,正常HSPC恶变为MDS相关病态克隆性HSPC。由此看出,EZH2基因与RUNX1基因呈阶梯式诱导MDS的发生[20]。特别要指出的是,EZH2基因突变在MDS发生中具有始动作用。深入研究发现:Hoxa9基因在高危组MDS及AML患者中的表达谱相似;但在EZH2基因缺失条件下,RUNX1S291fs突变可增强多梳抑制复合物1对Hoxa9基因转录的抑制,阻碍MDS向AML克隆性进展,但具体机制尚不清楚[20]。由此得知:EZH2基因突变有利于诱导MDS的发生,但对AML的发生无促进作用。EZH2基因缺失还在一定程度上干扰DNA启动子的甲基化水平[20]。由此可推测,组蛋白修饰及DNA甲基化在诱发MDS过程中存在一定的交叉协同效应。
除EZH2基因外,多梳抑制复合物家族成员ASXL1基因发生突变亦很常见。在环形铁粒幼细胞性贫血患者中,ASXL1基因突变率仅为6%(5/ 79),但在中高危组MDS(RAEB1型和RAEB2型)及MDS继发AML患者中,其突变率可分别高达31%(17/55)及25%(17/67)[21],提示ASXL1基因突变可预测MDS患者的克隆性进展,为预测预后的独立不良指标。
1.2.3 RNA剪接体突变 RNA剪接体在mRNA成熟、翻译过程中具有不可替代的作用。45%~85%的低危组MDS患者剪接路径突变频繁[22-23],其中约 24%为剪接因子(splice factor,SF)的SF3B1基因突变[22]。难治性贫血伴环形铁粒幼细胞患者的SF3B1基因突变率高达70%~85%[24],SF3B1突变可上调染色体8p21.2上的SLC25137基因的表达,导致线粒体铁过载,促进环形铁粒幼细胞形成[25]。有研究发现,SF3B1基因单倍体缺乏可导致MDS患者正常骨髓HSPC增殖能力降低、凋亡加速、造血重建能力衰退,但分化能力不受影响,且上述紊乱尚不足以诱发环形铁粒幼细胞形成[24,26]。更重要的是,在疾病进展过程中,SF3B1基因突变并无显著变化,这提示SF3B1并非MDS恶性克隆性演变的关键[27]。但伴有SF(包括SF3B1、U2AF35、SRSF2)突变的MDS-RAEB及继发AML患者的免疫表型高度相似,提示MDSRAEB及AML在本质上无严格区别,即伴有SF突变的MDS-RAEB患者预后不良[28]。因此,SF3B1基因突变与MDS克隆性进展间是否存在必然联系有待进一步证实。
U2AF1基因突变多见于年轻的MDS患者,突变率约为7.5%(36/478),低危组MDS患者的U2AF1基因突变相对稳定,但突变阳性的MDS患者克隆性进展为AML的时间及总生存时间显著缩短[29],说明伴有U2AF1基因突变者的预后不良。
与U2AF1相反,SRSF2基因突变则更多见于老年患者。SRSF2突变在疾病过程中亦相对稳定,同时患者的总生存时间明显缩短,且预后不良[30],推测SRSF2基因突变可能在MDS始动环节中作用更为显著。通常,ZRSR2基因协同U2AF1、SRSF2基因共同调节mRNA剪接,但目前尚无研究证实ZRSR2基因突变可独自引发生物学效应[23]。
1.2.4 MicroRNA M icroRNA(m iRNA,m iR)是一种非编码小分子RNA,长度约为22个核苷酸,通过与Argonaute蛋白家族相互作用形成复合物,抑制mRNA/RNA翻译或影响其稳定性,间接调控靶基因的表达。有研究报道,m iR22过表达可显著下调TET2基因[31],增强大鼠异常HSPC的增殖,损伤髓系造血分化,诱发AML的产生[32]。MDS患者的m iR125a及m iR99b高表达,两者可协同下调NF-κB信号通路抑制因子,间接促进NF-κB信号通路活化,但后者对MDS克隆性造血的具体调控机制尚不清楚。同时,m iR125a过表达可干扰骨髓红系的正常分化发育[33],加速MDS克隆性进展。此外,高水平m iR21显著降低MDS患者对去甲基化药物的反应,缩短其无进展生存时间[34]。因此,某些m iRNA在MDS患者中的过表达可能导致正常HSPC增殖及分化缺陷,加速正常HSPC的凋亡,加速MDS的恶性克隆性演化。
1.2.5 其他基因突变 癌基因Ras可明显上调S192依赖的GATA-2基因磷酸化,间接导致染色体上的基因缺失[35]。通过诱导其他基因(EZH2、HECW2、GATA-1)的突变,GATA-2单倍体缺乏的MDS患者发生AML的危险性显著增大[36],这进一步证实GATA-2基因异常对MDS克隆性进展有驱动作用。Aruna等报道,成骨细胞β-联蛋白信号活化突变可上调成骨细胞Notch信号配体Jagged-1的表达,进而激活正常HSPC中的Notch信号路径,损伤正常HSPC的分化能力,诱导AML的产生,再次证实骨髓造血微环境异常是疾病发生发展的关键环节[37]。
克隆性转化,如染色体核型异常、转归为MDS、PNH克隆扩增,是AA患者免疫抑制治疗后较为常见的并发症。有报道发现,AA患者MDS克隆相关的基因突变率极低(5.3%)[38]。但有大样本(n=150)研究发现,19%的AA患者在疾病进展过程中可检测到MDS克隆相关的基因突变(ASXL1、DNMT3A、BCOR),其中11%的患者克隆性进展为MDS[39]。伴有ASXL1突变者克隆性进展为MDS的可能性更大[39-40];病程超过6个月的患者往往伴随端粒长度的缩短,MDS克隆演变率甚至高达40%[39]。有研究还提示:在AA克隆性演变为MDS/AML的过程中,端粒长度缩短常先于染色体异常[41]。此外,T淋巴细胞STAT3基因突变的AA患者,骨髓增生相对更差,更易合并7号染色体异常,但其免疫抑制的疗效更好,不排除克隆性T细胞对AA患者克隆性进展的抑制效应[42]。Babushok等[43]持与传统不同的观点,认为多数AA患者早期即有克隆性造血,其病理机制主要包括两方面:即,HLA等位基因寡克隆缺失引起的相关免疫逃逸和体细胞基因突变引起的相关克隆性造血,进一步证实了免疫机制对AA患者克隆性造血的允许作用。
由于HSPC具有获得性PigA基因突变,PNH患者具有类似MDS的克隆性造血。研究发现:PigA基因突变不仅可作为始动因子诱发其他体细胞的基因突变或PigA亚克隆的生成;而且无论正常HSPC还是病理性HSPC,NTNG1、MAGEC1基因克隆性突变均可独立出现甚至先于PigA基因突变,证实PigA基因可作为其他突变基因的亚克隆而存在[44]。与传统的PigA基因突变导致PNH克隆性造血的理论不同,该研究证实:PigA基因既可作为原发突变诱发其他体细胞突变又可继发于后者,单独或协同其他基因损伤骨髓中健康HSPC的造血功能;而病理性HSPC获得克隆性生长优势,产生类似MDS样克隆性造血异常,但发生恶性克隆性转化的情况较为罕见。
综上所述,维持骨髓正常造血功能依赖于造血微环境(“土壤”)、造血干/祖细胞(“种子”)及免疫监视(“虫子”)的协调稳定。多种原因诱发三种因素的异常是骨髓克隆性造血的主要病理、生理机制。深入研究aBMF克隆性造血的病理机制对于研发干预性药物抑制病态克隆性造血,促进正常HSPC的增殖、分化、发育,恢复正常造血多克隆优势均具有重要的理论价值。
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R733.3
A
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