《Nature Genetics》：Transposable elements shape stemness in normal and leukemic hematopoiesis
编辑推荐：
尽管大多数急性髓系白血病（AML）患者在诱导化疗后能达到完全缓解，但三分之二的患者会在5年内复发。AML遵循由白血病干细胞（LSCs）维持的细胞层级结构，后者驱动肿瘤进展和复发。关于驱动LSCs干性特征的遗传决定因素知之甚少。研究人员通过对白血病干细胞、造血干
尽管大多数急性髓系白血病（AML）患者在诱导化疗后能达到完全缓解，但三分之二的患者会在5年内复发。AML遵循由白血病干细胞（LSCs）维持的细胞层级结构，后者驱动肿瘤进展和复发。关于驱动LSCs干性特征的遗传决定因素知之甚少。研究人员通过对白血病干细胞、造血干细胞及其下游子代细胞的染色质可及性测量，识别出染色质变体，发现转座元件（TEs）是区分原始细胞与成熟群体的遗传决定因素。121个TE亚家族的可及性能够区分LSCs与成熟白血病细胞，并根据干性和生存率对AML患者进行分层。功能实验表明，这些TE亚家族可作为基因组拓扑调节因子或谱系特异性转录因子的对接位点，包括LSCs中的LYL1。染色质编辑实验确立了LTR12C元件的可及性对于维持LSC干性的必要性。因此，TEs调控原始细胞与成熟细胞状态，且不同的亚家族分别决定了正常干细胞与白血病干细胞的干性特征。
这篇发表于《Nature Genetics》的研究针对白血病干细胞（LSCs）干性维持的表观遗传机制展开了深入探索。尽管急性髓系白血病（AML）患者经化疗后常获缓解，但高复发率仍是临床治疗的主要瓶颈，这归因于LSCs的自我更新能力和治疗抵抗特性。既往研究表明，LSCs与非致病的造血干细胞（HSCs）在表观遗传层面存在显著关联，但具体的染色质调控元件，特别是占基因组较大比例且常被忽视的转座元件（TEs），在造血干性及白血病转化中的作用尚不明确。本研究旨在阐明TEs是否构成调控正常及恶性造血过程中细胞状态的关键染色质变体。
为实现这一目标，研究人员采用了多维度的技术手段。首先，利用基于流式细胞术分选的高纯度原代人脐带血样本，获取长期造血干细胞（LT-HSCs）、短期造血干细胞（ST-HSCs）及各类祖细胞与成熟血细胞，并进行批量ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing）以绘制全基因组染色质可及性图谱。其次，收集未经培养的原发性AML患者样本，通过CD34和CD38表达分选并结合小鼠异种移植实验的功能验证，区分白血病干细胞阳性（LSC+）与阴性（LSC-）组分。研究人员结合ChromVAR算法量化TE亚家族在可及染色质中的富集程度，利用ReMap数据库进行转录因子cistrome富集分析，并应用DepMap数据库的CRISPR敲除筛选数据评估基因必需性。在功能验证层面，研究使用了CRISPR干扰（CRISPRi）系统结合dCas9-KRAB效应域，对特定TE亚家族进行染色质层面的靶向抑制，并通过CUT&RUN技术检测组蛋白修饰变化。
研究结果显示，在正常造血中，特定的TE亚家族富集于造血干祖细胞（HSPCs）而非成熟细胞的染色质可及区域。研究人员发现，81个TE亚家族在HSPCs中富集，主要为ERV1和ERV3家族成员，而128个亚家族在成熟细胞中富集，主要为SINE1、SINE2和DNA转座子。进一步分析表明，有23个TE亚家族是干细胞特异性的，这些元件能够为HOXA9、CTCF及黏连蛋白复合体等调控基因组三维结构的因子提供结合位点，揭示了TEs在维持干细胞染色质拓扑结构中的潜在作用。
在白血病研究中，LSC+组分表现出与正常HSPCs高度相似的TE富集模式，而LSC-组分则与成熟血细胞类似。通过对比LSC+与LSC-组分，研究人员鉴定出44个在LSC+中富集的TE亚家族（多为ERV1/ERV3）和77个在LSC-中富集的亚家族（多为SINE/转座子）。值得注意的是，LSC+特有的TE亚家族中包含了LTR12C和L1PA7，它们在HSPCs中并未表现出同等程度的富集，提示其在白血病转化中的特异性功能。
基于此，研究人员构建了包含121个TE亚家族的“LSCTE121”特征评分。该评分在三个独立的AML患者队列中成功区分了具有不同干性特征的肿瘤样本，并与无病生存期显著相关。与现有的基于RNA表达的LSC17基因特征相比，LSCTE121提供了互补的预后信息，且与细胞周期通路无关，反而与IL-10信号通路相关，后者已知可促进LSC干性。
机制探究发现，LSC特异性的TE亚家族是多种白血病关键转录因子的结合平台。除了在HSPCs和LSCs中共有的ERG、RUNX1等因子外，研究人员发现LYL1、NFYA和NFYB的cistrome显著富集于LSC特异的TEs上。DepMap数据分析进一步证实，LYL1在AML细胞系中具有独特的必需性，凸显了其作为潜在治疗靶点的价值。
最后，功能实验验证了特定TEs对LSC干性的必要性。以OCI-AML22细胞模型和OCI-AML3细胞系为对象，研究人员利用CRISPRi技术特异性抑制LTR12C亚家族中所有元件的染色质可及性。结果表明，这种表观遗传干预导致LTR12C位点H3K27ac信号丢失和H3K9me3信号获得，显著降低了细胞增殖能力，并在OCI-AML22模型中减少了CD34+CD38?的LSC+群体比例，增加了更分化的CD34+CD38+群体，直接证明了LTR12C元件在维持白血病干细胞表型中的关键作用。
综上所述，该研究确立了TE亚家族作为正常及白血病造血过程中干性特征的决定性因素。研究不仅揭示了LSCs通过劫持特定的TEs来重塑染色质景观以维持其致瘤潜能的机制，还为AML的预后分层提供了新的基于染色质可及性的生物标志物（LSCTE121）。更重要的是，这项工作证实了靶向特定TE亚家族的染色质状态是一种潜在的、能够选择性清除LSCs而不损伤正常HSPCs的治疗策略，为克服白血病复发提供了全新的视角和靶点。
