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Nat Commun丨万里玲团队通过单细胞组学揭示肾母细胞瘤的基因突变如何破坏肾脏发育

正常的细胞分化依赖精确的表观遗传和转录调控。破坏这些调控机制的基因突变会导致发育障碍和恶性肿瘤,尤其是儿童肿瘤。然而,在大多数组织类型中,细胞命运的决定过程及其异常如何影响正常发育并导致疾病,仍不清楚。
肾母细胞瘤(Wilms tumor)是最常见的儿科肾脏肿瘤,源于胚胎肾脏发育的异常。已知的驱动因子包括一些与肾发育相关的转录因子和信号通路分子。近年来的研究发现,高风险Wilms tumor中,30-50%的病例存在新的表观遗传调控因子突变,特别是ENL(MLLT1)突变。ENL通过其YEATS结构域结合组蛋白乙酰化,促进基因转录。宾夕法尼亚大学万里玲团队之前的工作揭示ENL突变能够引发异常的转录凝聚体,从而促进特定靶基因的表达(详见BioArt报道: Nature | 万里玲博士等揭示乙酰化组蛋白“阅读器”突变导致细胞命运异常 ; 专家点评Mol Cell封面文章|万里玲/李海涛合作揭示癌症突变引发异常转录凝聚体的分子机制和功能 )。然而,这些突变对肾脏发育和肿瘤发生的生物学功能以及机制仍然未知。
近日, 万里玲团队 Nature Communications 发表了题为 Single-Cell multiomics reveals ENL mutation perturbs kidney developmental trajectory by rewiring gene regulatory landscape 的文章。 该研究结合小鼠模型和单细胞组学方法,揭示了ENL突变如何通过重塑基因调控景观,扰乱肾脏发育。研究还发现,小分子抑制剂可以有效阻止ENL突变引起的转录凝聚体形成和靶基因的过度活化,从而缓解肾脏发育缺陷。 这是首次解析表观遗传调控因子突变在肾脏发育中的作用,并提供了潜在的Wilms tumor靶向治疗方法。
为了研究ENL基因突变在体内的功能,研究人员创建了携带该突变的小鼠模型。实验显示,诱导ENL突变的表达阻碍了胚胎肾脏发育,导致小鼠肾脏功能障碍和出生后死亡。组织学分析表明,表达ENL突变的肾脏缺乏成熟结构并形成了癌前病变。通过单细胞转录组测序(scRNA-seq),研究人员发现ENL突变改变了胚胎肾脏的细胞组成和肾单位的分化路径,并在肾单位祖细胞和早期分化细胞中引起了与细胞自我更新和分化密切相关的转录水平变化。进一步的单细胞染色质可及性分析(snATAC-seq)显示,ENL突变显著上调了特定转录因子(如HOX)及其下游基因(如Wnt4, CDH6)的表达,限制了早期分化细胞的成熟。突变还诱发了一种异常细胞类型,这些细胞丢失了肾发育相关的染色质特性。研究还发现,ENL突变改变了Foxd1+基质 (stroma)祖细胞的染色质可及性,异常激活了旁分泌的Wnt信号,影响基质-肾单位相互作用,最终导致肾脏发育缺陷。
那么如何缓解ENL突变造成的发育异常?该团队之前开发了可以有效阻断ENL和乙酰化组蛋白结合的小分子 (详见BioArtMED报道: Cancer Discovery丨万里玲团队开发靶向乙酰化组蛋白“阅读器” 的新型小分子治疗急性髓系白血病 )。在本研究中,研究人员发现该小分子能使ENL突变凝聚体从靶基因脱离,从而抑制靶基因过度表达。更重要的是,在小鼠实验中,短暂的抑制剂处理可以显著恢复由ENL突变引起的肾脏缺陷。
该研究结合转基因小鼠建模、组织学分析、单细胞多组学分析和小分子抑制剂干预的方法,首次揭示了突变的表观遗传调控因子在肾脏发育和病理发生中的生物学功能及单细胞水平的分子机制。研究表明,通过靶向表观遗传调控因子可以纠正发育缺陷,为未来在肾母细胞瘤或其他疾病中的类似研究提供了新的范例。
宾夕法尼亚大学医学院的宋乐乐博士和李青蓝博士为论文的共同第一作者。万里玲博士为通讯作者。本研究得到了宾夕法尼亚大学Hao Wu, Katalin Susztak和Kotaro Sasaki团队以及清华大学李海涛团队的支持。

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排版 | Sheila   校对 | uu



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原文摘要(Abstract)

How disruptions to normal cell differentiation link to tumorigenesis remains incompletely understood. Wilms tumor, an embryonal tumor associated with disrupted organogenesis, often harbors mutations in epigenetic regulators, but their role in kidney development remains unexplored. Here, we show at single-cell resolution that a Wilms tumor-associated mutation in the histone acetylation reader ENL disrupts kidney differentiation in mice by rewiring the gene regulatory landscape. Mutant ENL promotes nephron progenitor commitment while restricting their differentiation by dysregulating transcription factors such as Hox clusters. It also induces abnormal progenitors that lose kidney-associated chromatin identity. Furthermore, mutant ENL alters the transcriptome and chromatin accessibility of stromal progenitors, resulting in hyperactivation of Wnt signaling. The impacts of mutant ENL on both nephron and stroma lineages lead to profound kidney developmental defects and postnatal mortality in mice. Notably, a small molecule inhibiting mutant ENL’s histone acetylation binding activity largely reverses these defects. This study provides insights into how mutations in epigenetic regulators disrupt kidney development and suggests a potential therapeutic approach.

DOI: 10.1101/2024.05.09.591709

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