单细胞mtscATAC-seq解码儿童AML：表观遗传与克隆演变关键发现

儿童急性髓系白血病（pAML）占儿童白血病的20%，常因多种分子亚型而预后不良。化疗是标准治疗方法，但由于耐药性白血病干细胞（LSCs）的存在，常伴随耐药问题导致复发。尽管pAML的基因组突变谱已被充分阐明，但其发病和复发的表观遗传机制仍不明确。中国医学科学院血液研究所朱平团队通过对28例pAML患者进行线粒体单细胞转座酶可及染色质测序（mtscATAC-seq），建立了单细胞和克隆分辨率的染色质可及性图谱。鉴定出亚型特异性的染色质改变和常见的表观遗传失调，包括初诊时先天免疫信号增强、主要组织相容性复合体（MHC）II类分子减少，以及参与化疗后复发的关键调控因子。

文章标题：Single-cell epigenetic and clonal analysis decodes disease progression in pediatric acute myeloid leukemia
发表杂志：Blood
影响因子：IF=17.543
发表时间：2025年3月

1、单细胞表观遗传景观与亚型特异性特征

• 应用技术：利用线粒体单细胞转座酶可及染色质测序（mtscATAC-seq），对28例pAML患者（5种分子亚型）和8名健康对照的骨髓细胞进行分析，构建了单细胞分辨率的染色质可及性图谱和克隆谱系。

• 细胞组成差异：t(8;21)和inv(16)亚型富集原始细胞和髓系祖细胞；MLLr亚型以单核细胞样细胞为主；FLT3-ITD和CEBPA-dm亚型表现为原始细胞和红系祖细胞样细胞比例升高，提示分化阻滞。

• 表观遗传异质性：各亚型呈现独特的染色质可及性模式，如t(8;21)亚型的POU家族转录因子基序富集，FLT3-ITD和CEBPA-dm亚型的GATA/RUNX基序富集，MLLr亚型表现出独立的表观基因组改变。

  
  

Fig.1 单细胞染色质可及性分析揭示儿童急性髓系白血病（pAML）亚型特异性的表观遗传特征

2、先天免疫信号激活促进克隆竞争与不良预后

• 通路富集：先天免疫相关通路（如TLR信号、中性粒细胞脱颗粒）在恶性原始细胞（如HSC/MPP样细胞）中显著激活，且仅在疾病细胞中异常升高，健康样细胞无变化。

• 克隆关联：先天免疫相关基因的染色质可及性与克隆大小正相关，提示该信号赋予恶性克隆竞争优势。

• 预后标志物：基于31个先天免疫相关基因inScore评分与总生存期负相关，且独立于COG风险分层，可改善患者风险分类。

  
  

Fig.2 原始细胞中的先天免疫信号促进克隆竞争优势，并可预测诊断时的不良预后

3、MHC-II分子下调介导化疗后复发的免疫逃逸

• 复发机制：复发时原始细胞（尤其是HSC/MPP样细胞）显著下调主要组织相容性复合体II类（MHC-II）分子（如HLA-DPA1、HLA-DQB1）的染色质可及性，抑制T细胞激活。

• 功能验证：体外实验显示，阻断AML细胞的MHC-II分子可减少T细胞增殖，证实其通过免疫逃逸促进克隆扩张。

• 克隆动态：MHC-II基因活性随克隆大小增加而降低，优势克隆中MHC-II信号显著低于非优势克隆，提示其为复发时获得性特征。

  
  

Fig.3 化疗后复发时，主要组织相容性复合体II类（MHC II 类）信号下调介导免疫逃逸

4、耐药克隆的关键调控因子与细胞周期失调

• 克隆分类：通过区分化疗敏感克隆（初诊时清除）和耐药克隆（复发时增殖），发现耐药克隆富集细胞周期相关通路，削弱T细胞调节通路，抑制凋亡和代谢通路。

• 核心调控因子：鉴定出15个跨亚型共有的耐药相关转录因子，包括已知的SP1、WT1及新发现的DNMT1、EGR1，后者通过调控CDKN2B（p15）和ID1通路促进肿瘤细胞增殖。

  
  

Fig.4 耐药克隆中与细胞周期失调相关的关键调控因子的鉴定

5、复发相关的白血病干细胞（LSC）样亚群

• 亚群鉴定：HSC/MPP样细胞聚类为8个亚群，其中C1亚群在复发组显著富集，具有最原始的干细胞状态（低EpiTrace年龄、高LSC6评分）和激活的Notch信号。

• 信号特征：C1亚群中先天免疫相关基因（如IL18R1、CCL15）的染色质可及性最高，提示其通过增强先天免疫信号驱动复发。

  
  

Fig.5 具有升高的先天免疫信号、注定会导致复发的亚群的鉴定

• mtscATAC-seq技术：同步分析单细胞染色质可及性与线粒体DNA突变，实现克隆关系追踪与表观遗传状态联合解析，首次在儿童AML中构建单细胞克隆分辨率的表观遗传图谱。

• 先天免疫信号标志物：鉴定31基因组成的inScore评分，揭示先天免疫信号激活与克隆竞争优势、不良预后相关，且可改善患者风险分类，并首次提供了在表观遗传层面的先天免疫信号失调促进肿瘤细胞再生的证据。
  

• 复发机制解析：发现复发时恶性细胞通过下调MHC-II分子介导免疫逃逸，鉴定耐药克隆中DNMT1、EGR1等关键调控因子，阐明细胞周期失调驱动复发的机制。

在单细胞分辨率下对28例不同亚型的儿童急性髓系白血病（pAML）患者进行了表观遗传和克隆进化的综合分析，从而阐明疾病进展背后复杂的染色质可及性景观。重要的是，我们揭示了先天免疫信号的过度激活和MHC-II分子的下调，凸显了它们的临床意义，并为pAML的发病机制及复发提供了新见解。

Cui B, Ai L, Lei M, Duan Y, Tang C, Zhang J, Gao Y, Li X, Zhu C, Zhang Y, Zhu X, Isobe T, Yang W, Göttgens B, Zhu P. Single-cell epigenetic and clonal analysis decodes disease progression in pediatric acute myeloid leukemia. Blood. 2025 Mar 13;145(11):1211-1224.