相丹紅(綜述), 黃 健(審校)
骨髓增殖性腫瘤(myeloproliferative neoplasms,MPNs)是造血干細胞克隆性增殖的異質性疾病,伴隨著一系或多系血細胞增多。典型的費城染色體陰性MPNs包括原發性血小板增多癥(essential thrombocytosis,ET)、真性紅細胞增多癥(polycythemia vera,PV)和原發性骨髓纖維化(primary myelofibrosis,PMF)。MPNs血栓形成風險及進展急性白血病風險較高,不同表型之間的預后有顯著差異,腫瘤表型異質性是其預后差異的重要原因。PMF患者的壽命顯著低于ET和PV患者,更易進展為急性髓系白血病[1]。MPNs表型之間存在動態演變的趨勢,遺傳信息和慢性炎癥變化促使疾病表現為不同表型[2]。克隆演化及多種因素共同影響MPNs亞型變化,使疾病復雜化及治療動態化。本綜述從MPNs表型異質性角度深入理解驅動基因JAK2V617F突變背景下MPNs的發生發展,為此類疾病提供新的診療思路。
費城染色體陰性MPNs患者中,經檢測,多數患者可有JAK2V617F基因突變、CALR基因突變或MPL基因突變。然而,3種基因突變通常是相互排斥的,但偶有報道存在2種突變共存的現象。其中JAK2V617F基因突變可存在上述3種表型中。95%的PV患者存在JAK2V617F基因突變,在ET和PMF中,50%～60%的患者存在JAK2V617F基因突變[3]。MPL基因突變和CALR基因突變只在ET和PMF中發現,并未在PV中發現[4]。3種經典亞型的MPNs都可以出現JAK2V617F突變,但其臨床表現及預后卻有顯著區別。典型的PV患者表現為外周血紅細胞升高或血細胞比容增加;ET患者則表現為外周血小板增多和骨髓巨核細胞增殖;PMF分為纖維化前期和明顯纖維化期,前者血常規表現與ET相似,診斷纖維化前期更依賴于骨髓組織學差別,可見巨核細胞成熟異常和染色質折疊異常。明顯骨髓纖維化期可出現進行性血細胞減少、脾腫大、骨髓纖維化程度達到2級或3級。在預后方面,PMF預后最差,其次為PV、ET。約20%的PMF進展為急性髓系白血病,未進展患者死于其他并發癥(包括心血管疾病、出血或炎癥等)的風險也較大[5],中位生存期為5.9年。血栓形成是PV和ET的主要生存風險因素,其中位生存期分別為15年和18年[6]。研究表明,JAK2V617F突變從多方面影響MPNs的表型,導致不同的臨床特點。
2.1JAK-STAT通路 JAK是一種非受體型酪氨酸蛋白激酶,廣泛存在于體細胞中,作為主要細胞因子受體下游的信號傳遞器[7],干細胞因子和FLT3配體等造血干細胞調節劑利用JAK2在細胞內進行轉導,促進免疫和造血干細胞的增殖、分化和細胞因子的產生。有研究證明,在敲除JAK2基因的小鼠中發現正常紅細胞的缺失,小鼠不久后死于嚴重貧血[8]。JAK蛋白包含4個結構域:FERM結構域、SH2結構域、JH2結構域和JH1結構域。FERM結構域和SH2結構域共同形成一個整合的結構單元,與細胞因子受體非共價結合,介導受體酪氨酸磷酸化并募集STATs蛋白[9],繼而促進下游“信號轉導和轉錄激活因子”的磷酸化。STATs是DNA結合蛋白,包含7個成員(STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b、STAT6)。磷酸化的STATs發生二聚化,并從細胞膜轉移到細胞核調節靶基因的轉錄[10]。除STATs外,還有絲裂原活化蛋白激酶和磷酸肌醇3-激酶信號轉導途徑,它們共同導致骨髓細胞過度增殖和分化。JAK2-STAT通路負責將細胞外化學信號傳入細胞核,參與細胞代謝、細胞周期控制、細胞凋亡、DNA損傷,直接或間接影響轉錄[11]。而異常的細胞因子信號轉導是MPNs的發病機制,引發造血干細胞對促紅細胞生成素(erythropoietin,EPO)、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、IL-3和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)表現出超敏反應,刺激造血干細胞過度增殖。
2.2JAK2的激活機制 JH2結構域與JH1結構域相似,但缺乏激酶活性,對JH1結構域起到負向調節作用。激酶蛋白生理活性依賴于JH2結構域負性調控。激酶活性失調導致造血干細胞對生長因子和細胞因子的超敏性,是MPNs發病的基礎環節。Y1007和Y1008是JAK2激酶結構域內2個潛在調節位點,Y1007的累積可導致JAK2活性的重新激活[12]。JH2中Ser523和Try570的自磷酸化,可使JH2和JH1之間產生靜電作用,抑制JH1編碼的酪氨酸激酶活性。結構之間相互作用影響JH2對JH1的負向調節作用。SH2-JH2接頭在EPO受體運輸中起作用,受體介導的JAK2 FERM二聚體的形成是激酶激活所必需的[13],FERM-JH2和SH2-JH2之間的相互作用增強JH2對JH1的抑制作用。使JAK2的酪氨酸激酶活性維持在基礎水平[9],并維持正常的細胞活性。相反,JH2中的V617F位點位于FERM-JH2界面,靠近SH2-JH2接頭,其突變使JH1和JH2之間的SH2-JH2接頭失去穩定性,導致JH1結構域的過度激活,在沒有細胞因子的情況下導致轉錄改變,發展為MPNs[14]。JAK2V617F突變型和野生型的激活方式不同。JAK2V617F突變型通過影響FERM-JH2、SH2-JH2和JH1-JH2的相互作用來破壞JH2對JH1的自動抑制,其激活被認為是通過殘基E596、F537和F595介導,使突變體JAK2V617F晶體構象變化,促使激活信號轉導。其中E596是JAK2V617F致癌激活所必需的[15]。突變型和野生型都發揮激酶活性,前者通過基因位點突變誘導激酶過度激活,后者則表達正常活性。進一步研究兩者內在聯系有助于對JAK2V617F突變的MPNs深入了解。
個體遺傳背景可能會影響MPNs的發展傾向。JAK2V617F突變導致多能干細胞水平上的擴增。JAK2V617F突變在MPNs發病機制中占中心地位,兩者存在因果關系。但研究表明JAK2V617F突變不足以引發MPNs。MPNs的發展是一個基于個體和細胞背景差異組合的復雜過程。根據目前的研究,JAK2V617F突變型等位基因負荷、基因修飾、信號轉導因子和生活方式都可能參與JAK2V617F相關的MPNs發展。
3.1突變頻率 JAK2V617F突變可以發生在任何一種MPNs亞型中。JAK2V617F突變在25%～30%的PV和2%～4%的ET中以純合狀態發生,JAK2V617F純合子突變為識別PV和ET提供了依據。Li等[16]發現JAK2V617F的純合化可使ET轉化為PV。此外,JAK2V617F突變型與野生型的占比可能對表型至關重要,這一假設已通過小鼠模型得到驗證。Tiedt等[17]揭示,當JAK2V617F突變型表達頻率低于JAK2V617F野生型時,小鼠可出現ET表型,出現血小板計數和中度中性粒細胞增多;當JAK2V617F突變型水平與JAK2V617F野生型水平大致相等時,則表現為血紅蛋白、血小板和中性粒細胞增多的PV表型,而較高突變頻率可導致PV樣表型但血小板沒有增多。由此可知,突變頻率的高低影響MPNs的表型,較低的JAK2V617F突變頻率更傾向于ET表型,較高突變頻率則傾向于PV表型,在繼發纖維化的患者中突變頻率可達100%[18]。
3.2表觀遺傳修飾 除了體細胞驅動基因,大多數患者存在一系列“髓系腫瘤相關”表觀遺傳調節因子基因的突變,參與染色質修飾和DNA甲基化[19]。ET、PV、PMF 3種表型中甲基化的差異為表型異質性提供了進一步的證據。ET和PV的異常甲基化主要參與細胞信號通路,而PMF的異常甲基化則更傾向于炎癥通路[20]。異常高甲基化TET2突變是JAK2V617F突變在MPNs中最常見的共存突變,有報道MPNs的表型可能受TET2和JAK2突變順序的影響,“JAK2優先”更常在PV中檢測到,而“TET2優先”常在ET患者中檢測到[21]。DNMT3A屬于高度保守的DNA甲基轉移酶家族,其突變導致甲基轉移酶活性降低,與TET2相似,當JAK2V617F在DNMT3A突變之前獲得時,MPNs患者更有可能出現PV,而首先獲得DNMT3A突變的患者更常發展為ET表型[22],JAK2V617F表達和DNMT3A缺失之間的突變合作推動PV到骨髓纖維化的進展[23]。此外,EZH2、IDH1或IDH2功能喪失突變與JAK2V617F協同啟動MPNs和促進骨髓纖維化[24-25]。除以上突變外,一種組蛋白去甲基化酶、NFE2的過表達都被證明可驅動JAK2V617F突變MPNs[25-26]。
3.3轉導信號 細胞因子受體在與配體結合后誘導構象改變,通過JAK2活化將細胞外信號傳至細胞內。在JAK2V617F突變驅動的MPNs中,同源細胞因子Ⅰ型二聚體激活信號級聯反應是必須的。STATs與癌癥信號通路和細胞功能密切相關。STAT5是引起造血缺陷和MPNs的重要因素,CD34+細胞中野生型和突變型異型性分析表明,STAT5和STAT1信號轉導結果有所不同,STAT5對JAK2V617F信號轉導表現為增強紅細胞分化,而STAT1信號轉導表現為約束紅細胞分化和促進巨核細胞分化[27-28]。因此,增強STAT1信號轉導可促進巨核細胞生成且紅細胞未見增多,更易表現為ET,降低STAT1信號轉導或增強STAT5信號轉導則易表現為PV。結構轉錄因子HMGA2的過表達抑制細胞凋亡,使JAK2V617F突變的細胞具有生存優勢,這種過表達在ET中更為常見[29]。此外,一些參與細胞增殖和造血的細胞因子在JAK2V617F突變的MPNs中發揮潛在作用,如胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)蛋白在MPNs中發揮作用,IRS2協同JAK2V617F誘導惡性轉化。慢病毒介導IRS2沉默則降低STAT5信號通路激活[30]。近年來,免疫功能失衡對MPNs的影響備受關注。在分析MPNs患者炎癥基因的表達時發現,在同一患者中,JAK2V617F雜合細胞表達的p-選擇素顯著高于野生型細胞。JAKV617F雜合細胞克隆富集TNF-α、IL-6和INF-γ[31]。TNF-α的表達與JAK2V617F等位基因負荷相關。JAK2V617F激酶調節MPNs細胞TNF-α表達,使正常的造血干細胞以及TNF過敏性的祖細胞具有TNF抗性,在破壞正常造血的同時促進腫瘤細胞的克隆性增殖。DNMT3A缺失聯合JAK2V617F突變會增強TNF-α信號轉導[23]。降低這種TNF-α的信號轉導可能逆轉MPNs的發生,這在小鼠中得到證實。此外,細胞周期蛋白依賴性激酶6(cyclin-dependent kinase 6,CDK6)影響炎癥因子的調節,CDK6缺乏會減少脾腫大和改善MPNs臨床癥狀[32]。炎癥因子可與JAK2V617F突變誘導產生的活性氧交互作用,參與基因組不穩定、JAK-STAT信號放大,促進疾病進展[33]。
3.4生活方式 生活方式可以通過細胞功能的轉變,誘導不同的因子釋放,從而影響體內微環境變化,對MPNs發病和進展產生影響。飲食結構、個體生活地域的差別可影響腸道菌群的組成。腸道菌群的代謝產物及與宿主之間的相互作用可能是一些疾病的始動因素[34],腸道菌群失調可能是MPNs的疾病觸發因素。吸煙與PV有強相關性,其機制尚不完全清楚,已有研究提出吸煙通過白細胞活化、內皮功能障礙、氧化應激和促炎因子的釋放促進全身慢性炎癥,誘導炎癥環境促進MPNs進展。有研究證實,肥胖可能是ET的風險因素之一,低維生素D飲食可預防JAK2V617F轉基因小鼠發生骨髓纖維化,咖啡攝入量與PV的風險呈負相關[35-37]。這些因素表明飲食和行為是影響MPNs發病和進展的因素,但其機制尚待明確。
3.5其他因素 感染和自身免疫性疾病的既往史與MPNs風險增加相關。與對照組相比,MPNs患者既往診斷為炎癥性腸病的可能性提高40%[38]。居住環境中含有γ放射性核素增加ET風險,且與PV無關。高等教育、職業因素可以降低MPNs風險[39]。Hinds等[40]在正常人群中觀察到JAK2V617F等位基因比率升高的現象,并得出年齡增加是MPNs的危險因素。
二代測序的應用在MPNs發病機制的分子基礎研究中起到關鍵作用,驅動基因突變及其表達頻率差異可一定程度上預示疾病的表型和預后,JAK2V617F突變頻率、信號通路、表觀遺傳修飾、細胞因子、生活方式和其他因素,共同參與MPNs表型的異質性與疾病的發展。然而,全面了解MPNs臨床表型及造血干細胞發展趨勢的機制仍需探索。這對進一步了解MPNs表型異質性及發病機制,明確其進展過程,控制疾病惡化,尋求突破性的治療方法至關重要。
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