體細胞突變在人體健康組織中普遍存在，基于技術解析其比例也隨著生理年齡的單細增長而增加。已有研究表明，胞多健康人體組織克隆生長產物中的組學造血中體細胞突變與癌癥的復發驅動因子重疊（如TP53、PIK3CA和NOTCH1），突變表明癌癥可能由癌前克隆嵌合體產物引起。人類
克隆性造血（clonal hematopoiesis, CH）通常指與某種獲得性基因突變相關的克隆髓系細胞增生，并與衰老相關。影響DNMT3A是基于技術解析CH中突變最頻繁的基因，其編碼一種DNA甲基轉移酶。單細DNMT3A R882的胞多熱點突變在CH中較為常見，與髓系惡性腫瘤風險增加有關，組學造血中并被懷疑代表某些腫瘤發展（如急性髓細胞白血病等）的突變早期階段。CH提供了一個獨特的人類環境來研究非惡性人類造血中DNMT3A突變的分子后果，但CH中的克隆突變細胞在形態學和表型上與混合的野生型細胞相似，科研人員很難將基因型與表型聯系起來。
近日，美國威爾康奈爾醫學院團隊與Dana-Farber癌癥研究所的研究團隊合作在Nature Genetics發表了題為“Single-cell multi-omics of human clonal hematopoiesis reveals that DNMT3A R882 mutations perturb early progenitor states through selective hypomethylation”的文章。研究團隊應用單細胞多組學測序技術捕獲單個細胞的突變狀態以及下游表觀遺傳和轉錄信息，直接在原始人類樣本中比較來自同一個體的突變細胞與其野生型對應體。該研究詳細描述了DNMT3A R882熱點突變對CH的影響以及體細胞驅動突變對克隆嵌合體的影響，揭示血液干細胞中常見的DNA甲基轉移酶突變可能通過甲基化和基因表達的變化而導致疾病的發生。
文章發表在Nature Genetics
主要研究內容
人CD34+單細胞轉錄組測序中的DNMT3A R882基因分型
研究團隊首先從CH樣本中分離出活的CD34+細胞，并使用GoT30對轉錄組數據進行基因分型，捕獲帶有R882密碼子的細胞。為繪制CH中CD34+祖細胞分化的軌跡，研究團隊整合了不同樣本的轉錄組數據，確定了可預期的祖細胞亞型。結果顯示，DNMT3A突變并未形成新的細胞特征，這與CH患者沒有表現出明顯的外周血計數或形態學異常的臨床特征相一致。相反，研究團隊觀察到CH中的突變型和野生型細胞在整個過程中都混合在一起，因此需要通過單細胞多組學將基因型與細胞表型聯系起來進行更深入的研究。
圖1. 克隆造血分化過程中DNMT3A R882突變和野生型細胞混雜分布。來源：Nature Genetics
DNMT3A突變的人類祖細胞表現出譜系偏倚
研究團隊將上述數據映射到造血分化路徑上，發現攜帶DNMT3A R882熱點突變的細胞分化表現出髓系偏倚，而非淋巴系偏倚。此外，突變的未成熟髓系祖細胞顯示出巨核細胞-紅細胞譜系擴增。上述研究結果表明，在造血系統腫瘤的惡性轉化前期，轉錄因子活性的集中失調伴隨著譜系和轉錄紊亂。
圖2. DNMT3A R882突變CH細胞在關鍵節點表現出明顯的分化傾向。來源：Nature Genetics
多組學解析DNMT3A突變引起的后果
為將因DNMT3A突變而引起的轉錄調節網絡改變和DNA甲基化特征相關聯，研究團隊對來自相同個體的CD34+祖細胞進行多模態單細胞測序，以捕獲DNA甲基化、轉錄組信息和靶向DNMT3A基因分型，可以比較來自同一個體的突變和野生型細胞的甲基化狀態，單細胞轉錄組數據確定了主要的祖細胞身份。結果發現，突變組CpG島的DNA甲基化特征減少。深入分析顯示，與野生型細胞相比，DNMT3A R882細胞中增強子區域表現出顯著的低甲基化以及全局低甲基化。
圖3. DNMT3A R882促進人類造血過程中PRC2靶點的選擇性低甲基化。來源：Nature Genetics
由于DNMT3A編碼DNA甲基轉移酶，研究團隊特別檢查了熱點突變對甲基化模式和基因表達的影響。結果顯示，DNMT3A R882熱點突變導致多梳抑制復合物2（PRC2）靶標以及特定CpG側翼基序的優先低甲基化。值得注意的是，低甲基化基序富含造血轉錄因子（如MYC/MAX、HIF1A/ARNT和USF1/2）的結合序列，可作為DNMT3A突變和異常轉錄表型之間的潛在關聯機制。此外，MYC/MAX等位點的低甲基化也導致其轉錄靶點的表達增加。
上述結果顯示，單細胞多組學方法為人們分析CH中因DNMT3A突變而導致的轉錄畸變提供了一個潛在的模型，支持通過關鍵造血轉錄因子結合序列的選擇性低甲基化增強DNMT3A突變細胞的適應性。
圖4. DNMT3A R882顯示與MYC結合基序相關的序列特異性。來源：Nature Genetics
結 語
綜上所述，該研究報道了人類CH原代CD34+細胞中DNMT3A R882突變的分子結局，并發現了關鍵的表觀遺傳和轉錄變異，這些變異重塑了造血分化的譜系偏向，并促進了腫瘤最初生階段的克隆擴增。同時，該研究也證明了新興的單細胞多組學方法在解決復雜科學問題方面的獨特優勢，為研究體細胞突變如何驅動人類體細胞進化中的正常組織嵌合體鋪平了道路。
文章第一作者Anna S. Nam博士表示：“我們發現了一種將DNMT3A R882熱點突變與非典型轉錄表型聯系起來的機制。這些發現為未來可能針對相關細胞進行干預以預防癌癥和其他克隆生長相關疾病鋪平了道路。”
參考文獻：
Nam, A.S., Dusaj, N., Izzo, F. et al. Single-cell multi-omics of human clonal hematopoiesis reveals that DNMT3A R882 mutations perturb early progenitor states through selective hypomethylation. Nat Genet (2022). https://www.nature.com/articles/s41588-022-01179-9
