mRNA-seq應用：棕櫚酰轉移酶調節(jié)氧化磷酸化誘導AML分化阻滯和干性
影響因子：20.3
伯豪技術服務： mRNA-seq
導語
急性髓性白血病(AML)是一種侵襲性血液系統(tǒng)惡性腫瘤。接受最密集治療的患者中有近50%不可避免地會復發(fā)，可能是由于耐藥白血病干細胞(LSCs)的持續(xù)存在。AML細胞(尤其是LSCs)高度依賴線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)存活，但OXPHOS過度活躍的機制尚不清楚，也缺乏抑制OXPHOS的非細胞毒性策略。本研究首次證明棕櫚酰轉移酶ZDHHC21是AML細胞中OXPHOS高活性的關鍵調節(jié)因子，ZDHHC21的缺失/抵抗可以通過抑制在AML細胞中的OXPHOS有效地誘導了骨髓分化并削弱了干性潛力。同時，F(xiàn)LT3-ITD突變的AML細胞表達了更高水平的ZDHHC21，并且對ZDHHC21抑制表現(xiàn)出更好的敏感性。在機制上，ZDHHC21特異性催化線粒體激酶AK2的棕櫚�；⑦M一步激活白血病母細胞中的OXPHOS。
抑制ZDHHC21可抑制AML細胞的體內生長，延長AML細胞系和PDX-AML原細胞接種小鼠的存活時間。此外，靶向ZDHHC21抑制OXPHOS可顯著消除AML原細胞，提高復發(fā)/難治性白血病的化療效果。總之，這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了棕櫚酰基轉移酶ZDHHC21在調節(jié)AML氧化磷酸化中的新的生物學功能，而且還表明抑制ZDHHC21是AML患者，特別是復發(fā)/難治性白血病患者的一種有前景的治療方案。
研究技術
mRNA-seq
技術路線
研究結果
1. 高表達的ZDHHC21特異性調控AML細胞中的OXPHOS活性
首先，我們表征了白血病原始細胞線粒體ATP的產生，以確認AML的生物能量狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)白血病原始細胞的ATP水平遠高于正常骨髓細胞(圖1A )。然后，我們建立了基于ATP的檢測方法，在AML細胞而非HSCs中篩選特異性抑制OXPHOS的信號(圖1B )。如Fig 1C所示，線粒體復合物I的抑制劑魚藤酮和IACS - 010759確實顯著抑制AML細胞( HL60 )中的ATP水平，但也強烈抑制HSCs中的ATP水平。令人興奮的是，在267個PTM抑制劑中，有16個化合物選擇性抑制AML細胞而非HSC細胞中的OXPHOS，其中ZDHHC棕櫚酰轉移酶家族抑制劑2BP的作用最強。這些結果表明ZDHHC棕櫚酰轉移酶抑制劑可以選擇性地調節(jié)AML細胞中的OXPHOS。為了確定哪些ZDHHC可能參與OXPHOS的調控，我們引入了針對23個ZDHHC的siRNA。結果顯示，只有ZDHHC21選擇性抑制AML細胞中的ATP水平，而不抑制HSCs中的ATP水平( Fig 1F )。隨后我們發(fā)現(xiàn)，AML細胞中相對于正常細胞上調最顯著的前3個ZDHHCs分別是ZDHHC1、ZDHHC21和ZDHHC23(圖1H)。在所有癌種中，ZDHHC21在AML中表達最高，而ZDHHC1和ZDHHC23在AML中表達較低(圖1I )，這可能有利于ZDHHC21在AML細胞中調控OXPHOS的特異性。
2. ZDHHC21激活OXPHOS抑制AML細胞的髓系分化
為了闡明ZDHHC21在AML進展中的遠程作用，我們進行了基因集富集分析( Gene Set Enrichment Analysis，GSEA )，發(fā)現(xiàn)在ZDHHC21高表達的患者中，通常在HSCs中上調而在髓系細胞發(fā)育中下調的基因高度富集(圖2A )。然后，在shZDHHC21轉染的AML細胞中進行RNA測序，結果顯示，在第4天和第7天，shZDHHC21引起的693個改變的基因高度富集在分化相關和成熟相關的簇(圖2B)中。sh ZDHHC21細胞中的差異表達基因也與HSCs中通常下調而髓系細胞發(fā)育中上調的基因相匹配。這些結果提示ZDHHC21可能在髓系分化中發(fā)揮作用。為了進一步研究ZDHHC21調控的OXPHOS在髓系分化中的遠端效應，我們分析了ZDHHC21的動態(tài)表達以及OXPHOS水平在HSCs不同成熟階段的變化。如Fig 2C所示，隨著HSCs的分化成熟，ZDHHC21逐漸降低，而在AML細胞中ZDHHC21持續(xù)高表達。
圖2
3. ZDHHC21調控LSCs的干性潛能和AML細胞的化療耐藥
shZDHHC21顯著抑制LSCs的增殖和克隆形成能力，而對HSCs的增殖和克隆形成能力沒有影響。在2BP處理(圖3I - K)后，LSCs中的OXPHOS、細胞增殖和集落形成能力也觀察到類似的選擇性抑制作用，而HSCs中沒有觀察到類似的選擇性抑制作用。這些結果表明，ZDHHC21缺失/抑制顯著削弱了LSCs的干性潛能，且靶向ZDHHC21對HSCs的毒性最小。更重要的是，高OXPHOS的初治AML樣本對化療敏感性較差，包括標準治療藥物阿糖胞苷和阿霉素，以及其他化療藥物。
圖3
4. ZDHHC21誘導的AML增殖、干性和分化阻滯依賴于其棕櫚酰�；D移酶活性
作為一種棕櫚酰轉移酶，我們想知道ZDHHC21對AML惡性進展的調控作用是否依賴于其酶活性。首先，我們構建了小鼠ZDHHC21 ( mZDHHC21 )及其催化失活突變體( C120S )，并在ZDHHC21敲低的細胞中重新表達(圖4A )。如預期的那樣，sh ZDHHC21明顯抑制了AML細胞的增殖，m ZDHHC21過表達而非m ZDHHC21 ( C120S )挽救了sh ZDHHC21誘導的(圖4B)表型。此外，過表達mZDHHC21可以恢復shZDHHC21抑制的AML細胞在軟瓊脂中的克隆形成能力，但不能恢復mZDHHC21 ( C120S ) (圖4C)的克隆形成能力。更重要的是，我們確定了這些細胞在體內的生長情況。結果顯示，sh ZDHHC21明顯抑制腫瘤生長，m ZDHHC21過表達可以挽救sh ZDHHC21對腫瘤生長的抑制作用，而m ZDHHC21 ( C120S ) (圖4F - G)不能挽救sh ZDHHC21對腫瘤生長的抑制作用。因此，這些結果表明ZDHHC21的棕櫚酰轉移酶活性是其在AML細胞中發(fā)揮調控功能所必需的
圖4
5. shZDHHC21在AML中表現(xiàn)出較強的治療作用，并延長白血病小鼠的生存期，靶向ZDHHC21是復發(fā)/難治AML的潛在治療策略
我們首先將HL60 - shCtrl或HL60 - shZDHHC21細胞靜脈移植到NOD/SCID小鼠中。shZDHHC21顯著抑制了白血病總體負荷(圖5A和S20A)和因白血病發(fā)生導致的體重下降(圖5B )。與shCtrl細胞相比，shZDHHC21細胞移植組小鼠的總生存期顯著延長( Fig 5C )。接下來，我們在HL60皮下移植瘤小鼠模型中評估了ZDHHC21抑制的抗腫瘤活性。shZDHHC21 -慢病毒顯著抑制腫瘤生長，降低腫瘤重量(圖5D - E)。shZDHHC21顯示出明顯的治療活性，沒有觀察到明顯的體重下降。此外，與shCtrl組相比，HL60 - shZDHHC21細胞移植瘤中CD11b和CD14表達上調(圖5F )。
圖5
由于ZDHHC21可以調節(jié)LSC的維持和化療耐藥，我們想知道靶向ZDHHC21是否可以治療復發(fā)/難治性AML。首先，我們在復發(fā)/難治的PDX - AML移植瘤模型中評估了ZDHHC21抑制的效果。從攜帶FLT3ITD的復發(fā)/難治AML患者中分離AML原始細胞，將sh Ctrl或sh ZDHHC21慢病毒感染的原始細胞移植到NSG小鼠體內。感染sh Ctrl病毒的囊胚移植28 d后，由于白血病的發(fā)生，體重減輕明顯，而sh ZDHHC21組則沒有(圖6A )。值得注意的是，shZDHHC21組的總生存時間明顯延長(圖6B )。與此一致，sh ZDHHC21組表現(xiàn)出更低的白血病植入水平(圖6C )和更低的脾臟重量(圖67D )。此外，從脾臟中提取的細胞顯示CD34+細胞比例細胞減少，sh ZDHHC21組白血病細胞CD11b表達高于s組，為了進一步證實2BP在臨床上對化療的潛在增敏作用，我們從3例藥物敏感和3例難治患者中分離出原代AML原始細胞。與藥物敏感樣品相比，2BP顯著增強Ara - C誘導的細胞凋亡，促進難治細胞對Ara - C的再敏化。此外，2BP還增強Ara - C誘導的LSCs凋亡�？傊@些結果強烈表明ZDHHC21是復發(fā)/難治性AML的一個有希望的靶點。
圖6
綜上所述，該研究揭示了棕櫚酰轉移酶ZDHHC21調控AML特別是LSC細胞線粒體氧化磷酸化的全新生物學功能，也提出抑制ZDHHC21作為兒童AML尤其是復發(fā)/難治患兒的潛在治療策略，為兒童白血病的臨床治療提供全新藥物靶點和思路。
參考文獻：
Shao X, Xu A, Du W, Xu T, Huang Y, Xia Z, Wang W, Cai M, Zhang X, Zhang J, Cao J, Xu X, Yang B, He Q, Ying M. The palmitoyltransferase ZDHHC21 regulates oxidative phosphorylation to induce differentiation block and stemness in AML. Blood. 2023 Jul 27;142(4):365-381. doi: 10.1182/blood.2022019056. PMID: 37216691.
