Эпигеномный ландшафт B-клеточных острых лимфобластных лейкозов

Острый лимфобластный лейкоз (ALL) возникает из клеток-предшественников В- и Т-лимфоцитов и является наиболее распространенным педиатрическим раком. Большинство острых лимфобластных лейкозов происходит из В-клеточных линий (B-ALL). Молекулярные подтипы B-ALL характеризуются уникальными хромосомными повреждениями, включая анеуплоидию, транслокации, слияния генов и точечные мутации. Прошлые исследования выявили значительную гетерогенность транскриптомов и метиломов ДНК среди подтипов B-ALL, однако представление о хроматиновых ландшафтах оставалось неполным. «Мы хотели понять, как подтипы острого лимфобластного лейкоза отличаются друг от друга на геномном уровне, и ответить на вопрос, что делает лейкемическую клетку лейкемической, а не здоровой?» — говорит один из руководителей опубликованного в Cell Genomics исследования, Даниэль Савич из Детской исследовательской больницы Св. Иуды.

В работе изучали десять молекулярных подтипов B-ALL — BCR-ABL1, ETV6-RUNX1, опухоли с перестройкой DUX4, с высокой степенью гипердиплоидности, с низкой степенью гипердиплоидности, с перестройкой KMT2A, BCR-ABL1-подобные (Ph-подобные), с мутацией PAX5, TCF3-PBX1 и с перестройкой ZNF384.

Для начала авторы картировали доступность хроматина с помощью ATAC-seq. Его проводили на первичных опухолевых клетках от 156 пациентов, относящихся к десяти молекулярным подтипам B-ALL. В каждом подтипе B-ALL идентифицировали в среднем 110 468 доступных участков хроматина.

Используя данные ChIP-seq, ученые определили, что почти все открытые участки хроматина картируются на области, содержащие только активные гистоновые метки (H3K27ac, H3K4me1, H3K27ac, H3K4me1, H3K4me1+H3K27ac) или области с бивалентными метками, свидетельствующими о состоянии репрессированного хроматина (H3K27ac, H3K4me1, H3K27me). Только 1,5% открытых сайтов картировались на области, содержащие исключительно репрессированный хроматин (H3K27me3). Поскольку эти модификации гистонов обычно встречаются в энхансерных и промоторных областях, полученные данные позволяют предположить, что эти доступные участки хроматина выполняют роль цис-регуляторных элементов.

Проанализировав промоторы методом Hi-C, исследователи получили данные о петлях хроматина в десяти образцах пациентов и семи клеточных линиях B-ALL (697, BALL1, Nalm6, REH, RS4;11, SEM и SUP-B15). Они выявили около 300 тысяч хроматиновых петель, причем примерно 50% из 217 240 областей доступного хроматина пересекались с промоторной петлей.

Для лучшего понимания ремоделирования хроматина в процессе лейкемогенеза авторы сравнили доступность хроматина между опухолевыми клетками и предшественниками B-клеток. Для этого они изучили данные ATAC-seq нескольких предшественников B-клеток человека. Сравнив сигналы доступности хроматина между группами предшественников В-клеток, ученые выявили примерно 42 344 геномных локуса, которые демонстрируют тенденцию к повышению или снижению хроматина для предшественников В-клеток. Оказалось, что клетки Pro-B — одна из стадий дифференцировки предшественников — демонстрируют наибольшее сходство с клетками B-ALL на уровне доступности хроматина.

Далее авторы сравнили доступные участки хроматина между B-ALL и Pro-B клетками с помощью DESeq2 на 217 240 объединенных пиках доступности хроматина B-ALL и выявили 42 661 дифференциально доступных участка хроматина (DAS). Онтологический анализ, сосредоточенный исключительно на DAS с повышенной доступностью хроматина в B-ALL, показал обогащение участков, связанных с генами, участвующими в сигналинге Толл-подобных рецепторов, выработке интерлейкинов, синтезе ацетил-коэнзима А и пролиферации клетки.

Исследователи также сравнивали глобальное связывание транскрипционных факторов между B-ALL и Pro-B клетками. Дифференциальная оценка связывания показала, что семейство транскрипционных факторов AP-1 обладает более высоким уровнем связывания в образцах пациентов с B-ALL по сравнению с нормальными клетками Pro-B. Напротив, в клетках Pro-B с более высоким уровнем связывания выделялись такие транскрипционные факторы, как TFAP2A, KLF15, CTCFL, ZBTB14 и EBF1.

Ученые выявили 56 650 сайтов связывания AP-1 в клетках линий 697 и SUPB15. Результаты показали, что 46% DAS с более высокой доступностью хроматина в B-ALL также заняты транскрипционным фактором AP-1.

Далее авторы изучили DAS, характерные для тех или иных молекулярных подтипов B-ALL. В каждом подтипе B-ALL они выявили от 452 до 10 590 DAS (42 753 суммарно во всех десяти подтипах). Анализ показал, что 87% DAS локализованы в промоторно-дистальных областях генома (интронных и дистальных межгенных) и 43% DAS — в дистальных межгенных областях. Данные результаты подчеркивают важность негенных локусов в определении хроматиновой гетерогенности B-ALL.

Также исследователи охарактеризовали профиль транскрипционных факторов для 810 транскрипционных мотивов во всех сайтах доступа к хроматину в клетках B-ALL, и выявили от 4,3 до 5,4 млн связанных мотивов в каждом подтипе. Так, в клетках с перестройкой DUX4 или ZNF384 наблюдалось обогащение соответствующими факторами транскрипции. Авторы также идентифицировали транскрипционные факторы семейства HOX (HOXA9, HOXB9, HOXC9 и HOXD9) в опухолях с перестройкой KMT2A, транскрипционные факторы семейства GATA (GATA2, GATA3, GATA4, GATA5) — в опухолях с перестройкой ZNF384, и транскрипционные факторы семейства ядерных рецепторов (ESR1, ESR2, RARA и THRB) — в опухолях с изменением по PAX5.

Для того чтобы определить, влияют ли эти транскрипционные факторы на уникальность ландшафта доступного хроматина среди подтипов B-ALL, авторы также провели анализ транскрипционных факторов на DAS. Результаты подтвердили роль DUX4 в опухолях с перестройкой DUX4, ZNF384 и GATA3 в опухолях с перестройкой ZNF384, HOXA9 и MEIS1 в опухолях с перестройкой KMT2A — перечисленные факторы участвовали в формировании подтип-специфических хроматиновых ландшафтов.

Наконец, ученые проверили, насколько хорошо доступность хроматина может предсказывать подтип B-ALL. Они протестировали классификационную модель с помощью перекрестной валидации, добившись точности 89%. Наиболее частой ошибкой была неправильная классификация BCR-ABL1 и Ph-подобных подтипов.

Полученные в данной работе результаты подтверждают роль различных транскрипционных факторов и генетических вариантов в формировании эпигеномного ландшафта B-клеточного острого лимфобластного лейкоза и различий в доступности хроматина между его подтипами.

Цитата по пресс-релизу

Смена типа лейкемии идет через эпигенетическую регуляцию