高精尖中心李海濤團隊《自然》發表合作論文助力白血病研究

2017年3月9日， 國際學術期刊《自然》正式發表了清華大學醫學院基礎醫學系、北京結構生物學高精尖創新中心（清華）李海濤課題組參與合作的題為“ENL links histone acetylation to oncogenic gene expression in acute myeloid leukaemia”（ENL YEATS結構域關聯組蛋白乙醯化至急性髓樣白血病致癌基因表達）的研究論文。 該論文發現一種醯基化閱讀器（reader）蛋白ENL是驅動急性白血病發生的關鍵因數， 並首次證明ENL的YEATS閱讀器結構域是一類重要的治療急性白血病的藥物靶標。

YEATS（由YAF9， ENL， AF9， TAF14， SAS5首字母命名）結構域家族蛋白是一類進化上保守的重要核內調控因數， 其氨基端均含有一個YEATS結構域。 YEATS家族成員可形成多種重要複合物參與轉錄調控、組蛋白修飾、組蛋白沉積、染色質重塑等過程。

AF9和ENL是混合譜系白血病（Mixed lineage leukemia, MLL）染色體異位發生基因融合的常見夥伴基因， 由此引發的白血病在幼兒病患中很常見且比較惡性， 預後效果較差。 長期以來， 對於MLL白血病機理的研究一直聚焦在MLL-AF9/ENL等融合蛋白上， 但由於YEATS結構域未參與基因融合， 有關YEATS功能的研究一直未受到重視， 其在白血病過程中是否發揮重要功能並不清楚。 此外， 外顯子組測序在腎母細胞瘤（Wilms tumor）、乳腺癌、肺癌等病患樣本中發現了多種類型的YEATS結構域基因突變， 相關分子病理機制研究尚有待開展。

發表在《自然》上的論文首次揭示ENL在急性白血病發生和維持中的驅動性作用。 首先， 通過CRISPR-Cas9敲除AF9或ENL進行負篩選競爭生長實驗， 發現ENL缺失後， 許多MLL型、甚至非MLL型白血病細胞系的細胞生長受到抑制並開始分化， 但不影響其他類型細胞如HeLa， U2OS等的生長。 進一步基因表達譜和ChIP-seq分析發現ENL可以上調一組白血病相關靶基因表達， 其中ENL定位于致癌靶基因啟動子區域， 並導致RNA Pol II顯著富集。

通過生化分析和晶體結構解析， 李海濤課題組在2.7埃解析度水準闡釋了ENL蛋白YEATS結構域特異識別組蛋白H3賴氨酸27位乙醯化（H3K27ac）的分子機制。 研究發現， ENL YEATS具有類似於免疫球蛋白家族的八鏈β三明治骨架， 對乙醯化賴氨酸的特異識別由一種疏水的、絲氨酸內襯的三明治芳香籠口袋實現， 介由拉力氫鍵、芳香-π和碳氫-π等相互作用強化， 實現對乙醯化修飾類型的特異性識別。 進一步通過敲除ENL後過表達野生型ENL及閱讀器口袋突變體， 發現突變體無法挽救白血病細胞的生長抑制。 進一步通過敲除ENL後過表達野生型ENL及閱讀器突變體， 發現突變體無法挽救白血病細胞的生長抑制。 如果用BRD4抑制劑JQ1處理細胞同時敲掉ENL， 細胞生長將會受到更大程度的抑制。 類似的療效在小鼠白血病疾病模型中也被觀察到， 提示ENL的YEATS結構域是治療急性白血病的新型藥物靶標， 並且可以與BRD4等聯合靶向， 為MLL白血病等複雜疾病的治療提供新思路。

本論文是美國MD Anderson癌症中心石曉冰實驗室、紀念斯隆凱特琳癌症中心/哈佛醫學院Scott Armstrong實驗室、洛克菲勒大學David Allis實驗室及清華大學醫學院李海濤實驗室的通力合作成果。 David Allis和Scott Armstrong實驗室聯合博士後萬里玲博士（清華大學生科院2004級本科）、石曉冰實驗室聞虹博士及李海濤實驗室李元元博士為本文共同第一作者；石曉冰、Scott Armstrong及David Allis為共同通訊作者， 李海濤為共同資深作者。

值得一提的是， 高精尖中心卓越學者李元元博士于2014-2017期間， 先後以一作、共一作身份發表《自然》兩篇、《細胞》一篇，

和《分子細胞》兩篇， 做出了YEATS結構域醯基化識別以及ZMYND11組蛋白變體甲基化識別等一系列原創性發現。 因為在表觀遺傳學領域的突出貢獻， 李元元博士于2016年3月榮獲國際JBC/Herb Tabor青年研究員獎。

本工作得到科技部重點研發計畫、北京市結構生物學高精尖創新中心（清華）、清華-北大生命科學聯合中心等資助。 儀器設備使用得到“鳳凰工程”蛋白質基礎設施（清華）支援， 衍射資料收集得到上海同步輻射光源BL17U1線站的大力支持與協助。