近日，中國醫學科學院血液病醫院血液學研究、實驗血液學國家重點實驗室肖志堅教授和實驗血液學國家重點實驗室特聘教授、美國辛辛那提兒童醫院醫學中心腫瘤生物學家黃剛教授共同帶領的科研團隊的研究成果於8月23日在線發表在國際腫瘤領域頂尖雜志Cancer Discovery上。文章揭示，低氧誘導因子1A（HIF1A）是骨髓增生異常綜合征發生的關鍵分子，可能是MDS患者的治療靶點。
肖志堅醫學博士，主任醫師，教授，博士生導師、中國醫學科學院血液病醫院（血液學研究所）副院所長，骨髓增生異常綜合征診療中心主任
背景
骨髓增生異常綜合征（MDS）是一組起源於造血乾細胞，以病態造血和高風險向急性髓系白血病轉化為特征的高度異質性疾病。雖然部分有條件接受異基因造血乾細胞移植的患者可被治愈，但大多數患者目前尚無理想藥物治療。
近年來，隨著二代測序的廣泛應用，研究發現MDS患者中共存在40-60種MDS相關的基因突變，其功能涉及到染色質修飾酶、RNA剪切、黏連蛋白複合體、代謝酶等基因，參與造血乾細胞自我更新、生存、分化。MDS患者具有共同的特征，即無效造血以及一系或多系病態造血。MDS患者造血乾細胞/前體細胞可能存在共同的異常通路，針對這條共同通路的靶向治療有望可使大多數MDS患者獲益。
低氧誘導因子1A (Hypoxia inducible factor-1α, HIF1A)是一種細胞對缺氧的適應、血管生成等方面起重要調節作用的轉錄因子。研究發現，HIF1A可在缺氧狀態及氧正常情況下被激活，在正常造血乾細胞調節、腫瘤發生發展中發揮重要作用，且廣泛參與天然免疫和適應性免疫反應的調節。MDS患者的造血乾細胞和造血前體細胞存在自我更新、分化異常，與系統性炎症和免疫激活相關，因此作者們認為HIF1A信號通路可能在MDS發生發展中發揮重要作用。
MDS患者中HIF1A通路異常激活
首先，作者們采用GSEA生物信息學方法分析183例MDS患者骨髓CD34+細胞的轉錄組，發現HIF1A信號富集。隨即，作者們對38例MDS患者骨髓活檢標本進行HIF1A免疫組化檢測，結果發現大部分MDS患者HIF1A蛋白表達水平升高。Dnmt3a∆/∆，Tet2∆/∆, Runx1∆/∆, Asxl1∆/∆和MLL-PTD/WT轉基因小鼠骨髓C-kit造血乾細胞內HIF1A蛋白的表達水平較野生小鼠顯著升高，這些結果提示MDS患者中HIF1A通路激活。
HIF1A激活可誘導MDS表型出現
作者們進一步驗證了HIF1A激活是否足夠誘導MDS表型。采用Vav1-Cre/Rosa26-loxP-Stop-loxP (LSL)- rtTA系統，構建了多西環素誘導、造血細胞中特異性持續激活HIF1A的轉基因小鼠模型（Vav1-Cre/TPM小鼠），該轉基因模型造血乾細胞中HIF1A蛋白水平約為MLL-PTD轉基因小鼠的1.5倍，模擬了病理生理狀態下的HIF1A的水平。在多西環素誘導下，Vav1-Cre/TPM小鼠很快出現血小板減少，2-8月逐漸出現白細胞減少、大細胞貧血和脾大。骨髓表現為多系病態造血，存在小巨核和多分葉巨核，與MDS患者表型類似。
小鼠骨髓造血乾細胞HIF1A蛋白水平升高機制
作者們采用Seahorse方法檢測MLL-PTD小鼠c-Kit+骨髓乾細胞的氧代謝，結果發現細胞的基礎呼吸、ATP產生、最大呼吸能力均下降，這提示氧化磷酸化功能異常。MLL-PTD小鼠線粒體DNA拷貝數並沒有改變。接下來，作者們檢測了線粒體呼吸鏈複合物的活性，結果發現MLL-PTD小鼠線粒體複合物I、II、III活性均下降。作者們檢測了MLL-PTD小鼠線粒體氧化磷酸化中重要催化酶的表達，發現SDH酶的亞基Sdha, Sdhb, Sdhd mRNA表達及蛋白水平顯著下降，這提示SDH缺陷導致MLL-PTD小鼠線粒體功能異常及HIF1A水平升高。
另外，作者們采用NMR方法對MLL-PTD小鼠進行了代謝產物的檢測，發現三羧酸循環的代謝產物如延胡索酸、蘋果酸在MLL-PTD小鼠的血漿中顯著升高。延胡索酸/α酮戊二酸, 蘋果酸/α酮戊二酸的比例也顯著升高，這些濃度的改變會抑制依賴α酮戊二酸的PHD活性。作者們將琥珀酸、延胡索酸、蘋果酸加入培養基中發現HIF1A蛋白水平升高。這些結果提示，MLL-PTD小鼠骨髓造血乾細胞存在氧代謝異常及三羧酸循環中間代謝產物的蓄積，導致HIF1A水平的升高。
HIF1A信號通路激活為MDS患者的治療靶點
進一步分析發現，HIF1A激活的MLL-PTD細胞具有克隆優勢。MLL-PTD/WT小鼠模型中，Hif1aFlox/Flox細胞和Hif1aΔ/Δ細胞CFU-C和CFU-S能力無明顯差異，但體外連續CFU接種實驗中，MLL-PTD /WT/Hif1aFlox/Flox細胞可被連續接種3次以上，且在1：1體內競爭性骨髓移植實驗中適應能力較強。MLL-PTD/WT/Hif1a∆/∆細胞失去接種優勢。這些結果提示MLL-PTD介導的HIF1A信號激活調控HSC克隆擴增和適應能力。
MLL-PTD/Runx1∆/∆ MDS轉基因動物模型的造血細胞同時存在MLL-PTD及RUNX1基因敲除。在此動物模型的造血細胞中進一步敲除HIF1A後不再出現MDS表型，紅系病態造血完全被逆轉，血小板減少和巨核細胞病態造血部分被逆轉。Echinomycin是一種HIF1A抑制劑，CFU種植實驗中，Echinomycin處理的原代MLL-PTD/Runx1∆/∆小鼠CFU細胞克隆減少，向成熟粒細胞分化被抑制。在MLL-PTD /RUNX1-S291fs MDS小鼠模型和MDS病人來源的細胞系細胞(MDSL)注射給人源化NSGS免疫缺陷小鼠的模型中，Echinomycin可顯著延長小鼠額生存期。
肖志堅教授點評
通過二代測序技術，我們發現MDS患者共有40-60種突變、我們一直在思考這些基因突變會不會通過共同的途徑參與MDS疾病的發生發展呢？本研究中我們通過患者樣本和小鼠模型樣本的組學研究發現HIF1A是很多基因突變的共同下遊分子。之前幾乎所有靶向藥物藥物都針對一個基因突變/靶點設計，我們這個研究的主要意義在於我們有可能針對不同突變的共同途徑尋找或設計靶向藥物，使大部分患者收益。
參考文獻
Pathobiologic Pseudohypoxia as a Putative Mechanism Underlying Myelodysplastic Syndromes. Cancer Discovery. 2018
