阐明白血病细胞在维持恶性程度的同时增殖的机制

2023年3月10日 公益财团法人庄内陆区产业振兴中心 东京大学研究生院新领域创建科学研究科 国立研究开发法人国立癌症研究中心

研究成果要点

我们弄清楚了引起恶性度高、用现行治疗方法难以治愈的白血病的MOZ/MORF融合蛋白的作用机制。 明确了在细胞分裂前后，MOZ/MORF融合蛋白通过激活含有大量CG序列的基因启动子，在保持恶性度的同时引起无限增殖。 在蛋白质的立体结构水平上阐明了MOZ/MORF融合蛋白质与含有CG序列的DNA结合的结构。 通过本研究的成果，以MOZ/MORF为靶点的分子靶向药物的开发将取得进展，白血病治疗有望得到发展。

概要

公益财团法人庄内陆区产业振兴中心(理事长:皆川治、鹤冈市末广町) /国立癌症研究中心鹤冈合作研究据点癌症代谢组学研究室(横山明彦组长)、东京大学研究生院新领域创成科学研究科(金井昭教特任副教授)、美国科罗拉多大学( Tatiana kuro ) 以及加拿大拉瓦尔大学( Jacques Côté教授)的研究小组，阐明了引起恶性度高的白血病的MOZ融合蛋白*1和MORF融合蛋白的部分作用机制。 MOZ/MORF融合蛋白在细胞分裂时，通过采取“自我复制*2”的特殊分裂方式，使细胞在不失去恶性度的情况下永远增殖。 细胞自我复制后，在细胞分裂前后会表达相同的基因集。 也就是说，细胞进行和自己相同的克隆时使用的分裂方式就是自我复制。 在正常的身体里，只有被称为干细胞的特别细胞才能自我复制，但是一旦产生异常的MOZ/MORF融合基因，原本不自我复制的造血细胞也会自我复制，从而无限制地克隆癌细胞，引起白血病。 但迄今为止，我们还不知道MOZ/MORF融合蛋白是通过什么机制促进自我复制的。

MOZ和MORF是结构非常相似的家族蛋白质，被认为起着大致相同的作用。 MOZ/MORF包含两个被称为翼展螺旋的结构，但其功能尚不清楚。 这次，研究小组发现这两个翼展螺旋结构与DNA结合。 通过分析与各种序列的DNA混合、选择性结合的DNA序列，发现第一个翼展螺旋( WH1 )与未甲基化的CG序列特异性结合。 人基因组中的大多数基因在启动子*3区域都有富含CG的序列。 启动子上的CG序列如果不甲基化，其基因可以表达，但甲基化后就不表达了。 因此，母细胞表达的基因的启动子中含有很多“非甲基化的CG序列”。 MOZ/MORF融合蛋白通过WH1与未甲基化的CG序列结合，识别母细胞时表达的基因启动子并激活转录。 据此，可以认为细胞分裂前表达的基因的启动子在细胞分裂后再次被活化，促进了自我复制。 一旦MOZ-TIF2融合蛋白失去了WH1结构域，它就不能再与启动子结合，从而不再导致白血病。 本研究表明MOZ融合蛋白通过WH1与未甲基化的CG序列结合，作用于启动子，促进自我复制。 这种结合在白血病化中是必须的活动，所以有可能成为制药靶。

本研究由美国科罗拉多大学、加拿大拉瓦尔大学、日本国立癌症研究中心(理事长:中釜齐，东京都中央区)及东京大学研究生院新领域创建科学研究科(研究科长:出口敦，千叶县柏市)共同进行，2023年2月8日刊登在国际学术杂志《Nature Communications》上。

图1 MOZ融合蛋白( MOZ fusion )或MLL融合蛋白( MLL fusion )促进自我复制的机制(左)及其分子机制模型(右)。 MOZ融合蛋白通过第一个翼形螺旋结构( WH1 )与“非甲基化CG序列”结合。

背景

白血病是年轻人中最常见的癌症，有现行治疗方法难以治愈的预后不良类型。 基因异常的一种“染色体易位”产生的MOZ和MORF融合基因作为非常强的致癌司机*4发挥作用，会引起预后不良的白血病。 同样引起预后不良白血病的基因变异有MLL融合基因。 迄今为止，我们已发现并报道过MLL融合蛋白和MOZ融合蛋白与同一基因组上的启动子结合(图1 ) ( miyamoto et al.2020 cell reports 32:13； 108200 )，其分子基础尚不清楚。 已经发现，MLL融合蛋白有一个功能域，直接与CXXC域这一未甲基化的CG序列连接，从而与包含CG序列的各种基因启动子连接(图1，右)。 另一方面，MOZ/MORF融合蛋白没有CXXC结构域，因此，究竟通过何种机制识别基因启动子尚不清楚。

图2 MOZ/MORF的翼展螺旋结构的功能。 与左、MORF的WH1未甲基化”CG序列结合的结构。 中央，通过ChIP-seq分析明确的MOZ蛋白质的基因组定位模式。 右、各种MOZ/MORF融合蛋白杀灭正常造血细胞的活性。 MOZ/MORF融合蛋白激活靶基因HOXA9使细胞凋亡。

研究成果

美国科罗拉多大学的Kutateladze、加拿大拉瓦尔大学的CTé、国立癌症研究中心的横山、东京大学的金井等人的研究小组着眼于MOZ/MORF蛋白质中含有的横向螺旋结构，调查了其功能。 首先，研究小组发现，MORF中含有的两个翼展结构都具有与DNA结合的性质，特别是第一个翼展( WH1 )与基因启动子的结合非常重要。 对翼展螺旋结构与DNA结合的性质进行了更详细的分析，发现WH1与“未甲基化的CG序列”结合(图2左)，而第二个翼展螺旋WH2则相反与“富含AT的序列”结合 用被称为ChIP-seq法*5的方法分析这些翼螺旋结构对基因组上定位的影响时，显示具有WH1的蛋白质与含有很多"未甲基化CG序列"的基因组区域特异性结合(图2，中央) 此外，缺失MOZ-TIF2融合基因WH1的突变体已不能赋予小鼠造血细胞无限增殖能力，表明WH1与CG序列的结合是白血病发病中的必需事件(图2右，MOZ-TIF2和MOZ-TIF2) 另一方面，如果缺失WH2，则虽然保留了与CG序列的结合能力，但与基因启动子的结合程度减少，表明WH2也在MOZ融合蛋白与基因组结合方面发挥了辅助作用(图1右)。 事实上，缺失WH2功能的MORF融合蛋白突变体未能充分发挥致癌动因的作用，比携带WH2的MORF融合蛋白稍弱，激活HOXA9基因表达，持续培养最终未能使造血细胞凋亡 这些结果提示MOZ/MORF融合蛋白必须通过两个翼展与DNA紧密结合才能作为致癌物的驱动者，而干扰这一功能的药物可能成为分子靶向药物。

展望

本研究结果表明，MOZ/MORF融合蛋白在引起造血细胞异常自我复制方面，与翼展螺旋结构介导的DNA结合是关键。 特别是，WH1与未甲基化的CG序列结合这一见解，说明了MOZ/MORF融合蛋白激活广泛的基因启动子，在母细胞时表达的启动子也在母细胞中被激活的分子基础。 这些知识表明MOZ/MORF蛋白是调控造血细胞自我复制的重要蛋白质，同时也是制药开发中重要的分子靶点。 今后，以MOZ/MORF为靶点的分子靶向药物的开发将取得进展，白血病治疗有望得到发展。

发表论文

杂志名称

Nature Communications

标题

MORF and MOZ acetyltransferases target unmethylated CpG islands through the winged helix domain

作者

#Becht DC, #Klein BJ, #Kanai A, #Jang SM, Cox KL, Zhou BR, Phanor SK, Zhang Y¹, Chen RW, Ebmeier CC, Lachance C, Galloy M, Fradet-Turcotte A, Bulyk ML, Bai Y, Poirier, MG, *Côté J, *Yokoyama A, and *Kutateladze TG.

#co-first author, *co-corresponding author

DOI

10.1038/s41467-023-36368-5

URL

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36368-5（外部サイトにリンクします）

刊登日期

2023年2月8日

用语解说

*1融合基因/融合蛋白

染色体在辐射等的影响下断裂时，会通过细胞内的修复机制重新结合，错误地将原染色体与不同染色体片段之间结合，产生基因重排的染色体，这种现象称为染色体易位。 结果形成两个不同基因融合的融合基因。 由该基因表达的蛋白质称为融合蛋白质。

*2自我复制

细胞通过细胞分裂产生与1个或2个母细胞具有相同能力的女儿细胞

*3启动子

编码RNA的基因前端部分的基因组区域，是该基因转录的起点。

*4致癌司机

基因变异内参与癌症发病的变异。

*5芯片序列法

用被称为染色质免疫沉降法方法回收结合了特定蛋白质的基因组DNA片段，另外，用下一代序列发生器分析DNA，网罗性地鉴定某蛋白质结合在基因组上的区域的方法。

研究费

• 癌症代谢综合征研究推进支援事业费补助金(山形县、鹤冈市)、横山明彦(代表) ENL变异型儿童肾肿瘤的分子机制的阐明和分子标的疗法的开发国际共同研究加速基金(国际共同研究强化( b ) )，横山明彦(代表)，金井昭教(分担)，R4-8年度，日本学术振兴会 AF10易位白血病的分子病态的阐明和新疗法的开发，科学研究费资助事业基础研究( b )，横山明彦(代表)，金井昭教(分担)，R4-6年度，日本学术振兴会

• 关于国立癌症研究中心鹤冈合作研究据点癌症代谢研究室
  

作为国立癌症研究中心癌症代谢研究领域的研究据点，2017年4月设在山形县鹤冈市。 鹤冈合作研究据点与学校法人庆应义塾、庆应义塾大学尖端生命科学研究所合作，利用代谢综合征分析，正在进行面向癌症诊断药等开发等的研究。 另外，通过更加积极地推进与企业的共同研究，正在推进基于癌症分子基础上的新诊断和治疗方法的开发。