JAK2V617F突变背景下骨髓增殖性肿瘤临床表型异质性的研究进展

相丹红(综述), 黄 健(审校)

骨髓增殖性肿瘤(myeloproliferative neoplasms,MPNs)是造血干细胞克隆性增殖的异质性疾病,伴随着一系或多系血细胞增多。典型的费城染色体阴性MPNs包括原发性血小板增多症(essential thrombocytosis,ET)、真性红细胞增多症(polycythemia vera,PV)和原发性骨髓纤维化(primary myelofibrosis,PMF)。MPNs血栓形成风险及进展急性白血病风险较高,不同表型之间的预后有显著差异,肿瘤表型异质性是其预后差异的重要原因。PMF患者的寿命显著低于ET和PV患者,更易进展为急性髓系白血病[1]。MPNs表型之间存在动态演变的趋势,遗传信息和慢性炎症变化促使疾病表现为不同表型[2]。克隆演化及多种因素共同影响MPNs亚型变化,使疾病复杂化及治疗动态化。本综述从MPNs表型异质性角度深入理解驱动基因JAK2V617F突变背景下MPNs的发生发展,为此类疾病提供新的诊疗思路。

1 MPNs

费城染色体阴性MPNs患者中,经检测,多数患者可有JAK2V617F基因突变、CALR基因突变或MPL基因突变。然而,3种基因突变通常是相互排斥的,但偶有报道存在2种突变共存的现象。其中JAK2V617F基因突变可存在上述3种表型中。95%的PV患者存在JAK2V617F基因突变,在ET和PMF中,50%～60%的患者存在JAK2V617F基因突变[3]。MPL基因突变和CALR基因突变只在ET和PMF中发现,并未在PV中发现[4]。3种经典亚型的MPNs都可以出现JAK2V617F突变,但其临床表现及预后却有显著区别。典型的PV患者表现为外周血红细胞升高或血细胞比容增加;ET患者则表现为外周血小板增多和骨髓巨核细胞增殖;PMF分为纤维化前期和明显纤维化期,前者血常规表现与ET相似,诊断纤维化前期更依赖于骨髓组织学差别,可见巨核细胞成熟异常和染色质折叠异常。明显骨髓纤维化期可出现进行性血细胞减少、脾肿大、骨髓纤维化程度达到2级或3级。在预后方面,PMF预后最差,其次为PV、ET。约20%的PMF进展为急性髓系白血病,未进展患者死于其他并发症(包括心血管疾病、出血或炎症等)的风险也较大[5],中位生存期为5.9年。血栓形成是PV和ET的主要生存风险因素,其中位生存期分别为15年和18年[6]。研究表明,JAK2V617F突变从多方面影响MPNs的表型,导致不同的临床特点。

2 JAK-STAT通路及JAK激活机制

2.1JAK-STAT通路 JAK是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶,广泛存在于体细胞中,作为主要细胞因子受体下游的信号传递器[7],干细胞因子和FLT3配体等造血干细胞调节剂利用JAK2在细胞内进行转导,促进免疫和造血干细胞的增殖、分化和细胞因子的产生。有研究证明,在敲除JAK2基因的小鼠中发现正常红细胞的缺失,小鼠不久后死于严重贫血[8]。JAK蛋白包含4个结构域:FERM结构域、SH2结构域、JH2结构域和JH1结构域。FERM结构域和SH2结构域共同形成一个整合的结构单元,与细胞因子受体非共价结合,介导受体酪氨酸磷酸化并募集STATs蛋白[9],继而促进下游“信号转导和转录激活因子”的磷酸化。STATs是DNA结合蛋白,包含7个成员(STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b、STAT6)。磷酸化的STATs发生二聚化,并从细胞膜转移到细胞核调节靶基因的转录[10]。除STATs外,还有丝裂原活化蛋白激酶和磷酸肌醇3-激酶信号转导途径,它们共同导致骨髓细胞过度增殖和分化。JAK2-STAT通路负责将细胞外化学信号传入细胞核,参与细胞代谢、细胞周期控制、细胞凋亡、DNA损伤,直接或间接影响转录[11]。而异常的细胞因子信号转导是MPNs的发病机制,引发造血干细胞对促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)、胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、IL-3和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)表现出超敏反应,刺激造血干细胞过度增殖。

2.2JAK2的激活机制 JH2结构域与JH1结构域相似,但缺乏激酶活性,对JH1结构域起到负向调节作用。激酶蛋白生理活性依赖于JH2结构域负性调控。激酶活性失调导致造血干细胞对生长因子和细胞因子的超敏性,是MPNs发病的基础环节。Y1007和Y1008是JAK2激酶结构域内2个潜在调节位点,Y1007的累积可导致JAK2活性的重新激活[12]。JH2中Ser523和Try570的自磷酸化,可使JH2和JH1之间产生静电作用,抑制JH1编码的酪氨酸激酶活性。结构之间相互作用影响JH2对JH1的负向调节作用。SH2-JH2接头在EPO受体运输中起作用,受体介导的JAK2 FERM二聚体的形成是激酶激活所必需的[13],FERM-JH2和SH2-JH2之间的相互作用增强JH2对JH1的抑制作用。使JAK2的酪氨酸激酶活性维持在基础水平[9],并维持正常的细胞活性。相反,JH2中的V617F位点位于FERM-JH2界面,靠近SH2-JH2接头,其突变使JH1和JH2之间的SH2-JH2接头失去稳定性,导致JH1结构域的过度激活,在没有细胞因子的情况下导致转录改变,发展为MPNs[14]。JAK2V617F突变型和野生型的激活方式不同。JAK2V617F突变型通过影响FERM-JH2、SH2-JH2和JH1-JH2的相互作用来破坏JH2对JH1的自动抑制,其激活被认为是通过残基E596、F537和F595介导,使突变体JAK2V617F晶体构象变化,促使激活信号转导。其中E596是JAK2V617F致癌激活所必需的[15]。突变型和野生型都发挥激酶活性,前者通过基因位点突变诱导激酶过度激活,后者则表达正常活性。进一步研究两者内在联系有助于对JAK2V617F突变的MPNs深入了解。

3 JAK2V617F在MPNs表型中的作用

个体遗传背景可能会影响MPNs的发展倾向。JAK2V617F突变导致多能干细胞水平上的扩增。JAK2V617F突变在MPNs发病机制中占中心地位,两者存在因果关系。但研究表明JAK2V617F突变不足以引发MPNs。MPNs的发展是一个基于个体和细胞背景差异组合的复杂过程。根据目前的研究,JAK2V617F突变型等位基因负荷、基因修饰、信号转导因子和生活方式都可能参与JAK2V617F相关的MPNs发展。

3.1突变频率 JAK2V617F突变可以发生在任何一种MPNs亚型中。JAK2V617F突变在25%～30%的PV和2%～4%的ET中以纯合状态发生,JAK2V617F纯合子突变为识别PV和ET提供了依据。Li等[16]发现JAK2V617F的纯合化可使ET转化为PV。此外,JAK2V617F突变型与野生型的占比可能对表型至关重要,这一假设已通过小鼠模型得到验证。Tiedt等[17]揭示,当JAK2V617F突变型表达频率低于JAK2V617F野生型时,小鼠可出现ET表型,出现血小板计数和中度中性粒细胞增多;当JAK2V617F突变型水平与JAK2V617F野生型水平大致相等时,则表现为血红蛋白、血小板和中性粒细胞增多的PV表型,而较高突变频率可导致PV样表型但血小板没有增多。由此可知,突变频率的高低影响MPNs的表型,较低的JAK2V617F突变频率更倾向于ET表型,较高突变频率则倾向于PV表型,在继发纤维化的患者中突变频率可达100%[18]。

3.2表观遗传修饰 除了体细胞驱动基因,大多数患者存在一系列“髓系肿瘤相关”表观遗传调节因子基因的突变,参与染色质修饰和DNA甲基化[19]。ET、PV、PMF 3种表型中甲基化的差异为表型异质性提供了进一步的证据。ET和PV的异常甲基化主要参与细胞信号通路,而PMF的异常甲基化则更倾向于炎症通路[20]。异常高甲基化TET2突变是JAK2V617F突变在MPNs中最常见的共存突变,有报道MPNs的表型可能受TET2和JAK2突变顺序的影响,“JAK2优先”更常在PV中检测到,而“TET2优先”常在ET患者中检测到[21]。DNMT3A属于高度保守的DNA甲基转移酶家族,其突变导致甲基转移酶活性降低,与TET2相似,当JAK2V617F在DNMT3A突变之前获得时,MPNs患者更有可能出现PV,而首先获得DNMT3A突变的患者更常发展为ET表型[22],JAK2V617F表达和DNMT3A缺失之间的突变合作推动PV到骨髓纤维化的进展[23]。此外,EZH2、IDH1或IDH2功能丧失突变与JAK2V617F协同启动MPNs和促进骨髓纤维化[24-25]。除以上突变外,一种组蛋白去甲基化酶、NFE2的过表达都被证明可驱动JAK2V617F突变MPNs[25-26]。

3.3转导信号 细胞因子受体在与配体结合后诱导构象改变,通过JAK2活化将细胞外信号传至细胞内。在JAK2V617F突变驱动的MPNs中,同源细胞因子Ⅰ型二聚体激活信号级联反应是必须的。STATs与癌症信号通路和细胞功能密切相关。STAT5是引起造血缺陷和MPNs的重要因素,CD34+细胞中野生型和突变型异型性分析表明,STAT5和STAT1信号转导结果有所不同,STAT5对JAK2V617F信号转导表现为增强红细胞分化,而STAT1信号转导表现为约束红细胞分化和促进巨核细胞分化[27-28]。因此,增强STAT1信号转导可促进巨核细胞生成且红细胞未见增多,更易表现为ET,降低STAT1信号转导或增强STAT5信号转导则易表现为PV。结构转录因子HMGA2的过表达抑制细胞凋亡,使JAK2V617F突变的细胞具有生存优势,这种过表达在ET中更为常见[29]。此外,一些参与细胞增殖和造血的细胞因子在JAK2V617F突变的MPNs中发挥潜在作用,如胰岛素受体底物(insulin receptor substrate,IRS)蛋白在MPNs中发挥作用,IRS2协同JAK2V617F诱导恶性转化。慢病毒介导IRS2沉默则降低STAT5信号通路激活[30]。近年来,免疫功能失衡对MPNs的影响备受关注。在分析MPNs患者炎症基因的表达时发现,在同一患者中,JAK2V617F杂合细胞表达的p-选择素显著高于野生型细胞。JAKV617F杂合细胞克隆富集TNF-α、IL-6和INF-γ[31]。TNF-α的表达与JAK2V617F等位基因负荷相关。JAK2V617F激酶调节MPNs细胞TNF-α表达,使正常的造血干细胞以及TNF过敏性的祖细胞具有TNF抗性,在破坏正常造血的同时促进肿瘤细胞的克隆性增殖。DNMT3A缺失联合JAK2V617F突变会增强TNF-α信号转导[23]。降低这种TNF-α的信号转导可能逆转MPNs的发生,这在小鼠中得到证实。此外,细胞周期蛋白依赖性激酶6(cyclin-dependent kinase 6,CDK6)影响炎症因子的调节,CDK6缺乏会减少脾肿大和改善MPNs临床症状[32]。炎症因子可与JAK2V617F突变诱导产生的活性氧交互作用,参与基因组不稳定、JAK-STAT信号放大,促进疾病进展[33]。

3.4生活方式 生活方式可以通过细胞功能的转变,诱导不同的因子释放,从而影响体内微环境变化,对MPNs发病和进展产生影响。饮食结构、个体生活地域的差别可影响肠道菌群的组成。肠道菌群的代谢产物及与宿主之间的相互作用可能是一些疾病的始动因素[34],肠道菌群失调可能是MPNs的疾病触发因素。吸烟与PV有强相关性,其机制尚不完全清楚,已有研究提出吸烟通过白细胞活化、内皮功能障碍、氧化应激和促炎因子的释放促进全身慢性炎症,诱导炎症环境促进MPNs进展。有研究证实,肥胖可能是ET的风险因素之一,低维生素D饮食可预防JAK2V617F转基因小鼠发生骨髓纤维化,咖啡摄入量与PV的风险呈负相关[35-37]。这些因素表明饮食和行为是影响MPNs发病和进展的因素,但其机制尚待明确。

3.5其他因素 感染和自身免疫性疾病的既往史与MPNs风险增加相关。与对照组相比,MPNs患者既往诊断为炎症性肠病的可能性提高40%[38]。居住环境中含有γ放射性核素增加ET风险,且与PV无关。高等教育、职业因素可以降低MPNs风险[39]。Hinds等[40]在正常人群中观察到JAK2V617F等位基因比率升高的现象,并得出年龄增加是MPNs的危险因素。

4 结语

二代测序的应用在MPNs发病机制的分子基础研究中起到关键作用,驱动基因突变及其表达频率差异可一定程度上预示疾病的表型和预后,JAK2V617F突变频率、信号通路、表观遗传修饰、细胞因子、生活方式和其他因素,共同参与MPNs表型的异质性与疾病的发展。然而,全面了解MPNs临床表型及造血干细胞发展趋势的机制仍需探索。这对进一步了解MPNs表型异质性及发病机制,明确其进展过程,控制疾病恶化,寻求突破性的治疗方法至关重要。