L'evoluzione somatica convergente inizia nell'utero in una ribosomopatia germinale

Nature Communications volume 14, numero articolo: 5092 (2023) Citare questo articolo

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Il tracciamento clonale delle cellule utilizzando mutazioni somatiche consente l'esplorazione delle dinamiche clonali nelle malattie umane. Qui, eseguiamo il sequenziamento dell'intero genoma di 323 colonie ematopoietiche di 10 individui affetti dalla ribosomopatia ereditaria della sindrome di Shwachman-Diamond per ricostruire le filogenesi ematopoietiche. In circa il 30% delle colonie, identifichiamo mutazioni mutuamente esclusive in TP53, EIF6, RPL5, RPL22, PRPF8, più aberrazioni dei cromosomi 7 e 15 che aumentano rispettivamente il dosaggio dei geni SBDS ed EFL1. Le mutazioni del gene bersaglio iniziano in utero, determinando una profusione di espansioni clonali, con solo pochi lignaggi di cellule staminali ematopoietiche (media 8, intervallo 1-24) che contribuiscono con circa il 50% delle colonie ematopoietiche in 8 individui (intervallo 4-100% di clonalità) dalla giovane età adulta. La rapida espansione clonale durante la trasformazione della malattia è associata a mutazioni bialleliche di TP53 e ad un aumento del carico di mutazioni. Il nostro studio evidenzia come la mutazione somatica convergente del percorso di sorveglianza nucleolare dipendente da p53 compensi gli effetti deleteri della ribosomopatia germinale ma aumenti le opportunità per l'evoluzione del cancro mutato da TP53.

Tutte le cellule acquisiscono mutazioni somatiche nel tempo attraverso una serie di processi dannosi del DNA esogeni ed endogeni. Il tracciamento di tali mutazioni ha consentito la ricostruzione delle storie di lignaggio delle singole cellule staminali ematopoietiche (HSC) per tracciare le dinamiche clonali nell'ematopoiesi umana sana e maligna nel corso della vita1,2,3,4. Questi studi hanno dimostrato che alcune HSC ottengono un vantaggio in termini di fitness rispetto ad altre, tipicamente attraverso l'acquisizione di alcune mutazioni somatiche, con conseguente espansione clonale lenta ma continua nel corso della vita3. Entro la settima-ottava decade di vita, si verifica un collasso della diversità clonale delle HSC nel sangue con molte espansioni clonali guidate da mutazioni in una serie di geni (ad esempio DNMT3A) e cambiamenti del numero di copie (ad esempio perdita di Y)3,5,6 . Si sa relativamente poco, tuttavia, su come la selezione clonale e le dinamiche della popolazione differiscano negli individui nati con mutazioni germinali che compromettono l’ematopoiesi e conferiscono un aumento del rischio di cancro del sangue.

La sindrome di Shwachman-Diamond (SDS) è un disturbo ereditario dell'assemblaggio dei ribosomi causato da mutazioni germinali eterozigoti composte nel gene SBDS, tipicamente la combinazione di un allele nullo e uno ipomorfo7,8,9. La proteina SBDS wild-type coopera con la GTPasi EFL1 per catalizzare il rilascio del fattore anti-associazione eIF6 dalla faccia dell'intersubunità della subunità ribosomiale grande per promuovere la maturazione e il riciclaggio dei ribosomi8,9,10,11,12. Il conseguente difetto di assemblaggio dei ribosomi e la ridotta sintesi proteica determinano l'insufficienza del midollo osseo (BMF), con oltre un terzo degli individui che successivamente sviluppano mielodisplasia (MDS) e leucemia mieloide acuta (LMA) entro la quarta decade di vita13,14.

A number of recurrent somatic genetic events have been identified in SDS. In individuals with one null and one hypomorphic SBDS allele on chromosome (chr) 7q, copy number neutral loss of heterozygosity (LOH) increases the gene dose of the hypomorphic SBDS allele c.258 + 2T → C and replaces the null allele15,c mutation of the SBDS gene does not promote development of myeloid malignancies in patients with Shwachman syndrome. Leukemia 23, 708–711 (2009)." href="/articles/s41467-023-40896-5#ref-CR16" id="ref-link-section-d1812976e930"> 16. Allo stesso modo, la disomia uniparentale può verificarsi su chr15 per mitigare le combinazioni di mutazioni EFL1 eterozigoti composte più dannose in SDS17. Anche la delezione di Chr20q e le mutazioni puntiformi di EIF6 riducono il dosaggio di eIF6 e/o la sua affinità per il ribosoma14,18,19,20,21. Ciascuno di questi eventi genetici probabilmente compensa la funzione SBDS difettosa nella SDS ripristinando l'omeostasi dei ribosomi.

L'alterato assemblaggio dei ribosomi stabilizza la proteina soppressore del tumore p53 attraverso la via di sorveglianza nucleolare (NSP)22. Un'aumentata espressione di p53 è stata osservata nelle cellule emopoietiche di individui con SDS23 e la distruzione mirata di Sbds in modelli murini causa l'induzione dell'apoptosi p53-dipendente nelle cellule progenitrici ematopoietiche24,25. In effetti, le mutazioni di TP53 sono ricorrenti tra e all'interno degli individui con SDS18,26. Poiché TP53 è il gene più frequentemente alterato nei tumori umani27, con mutazioni che si verificano sia precocemente nella tumorigenesi, come nel glioblastoma e nei tumori ovarici28,29,30, sia tardivamente durante la progressione del cancro28,31, è fondamentale comprendere l'impatto di Mutazioni di TP53 sulla competizione cellulare. L'SDS fornisce una finestra unica per comprendere le prime fasi della selezione clonale con mutazione di TP53 a causa della pressione selettiva imposta dalla mutazione germinale SBDS.

0.4, thus representing the somatic mutations present in the single-cell that seeded the colony. In total, we identified 118,564 single nucleotide variants, 6287 small insertions and deletions, 74 structural variants and 5 chromosomal copy number aberrations across the cohort (Supplementary Dataset 1). The number of SNVs per colony per individual ranged from a median of 130 (range 99–163) in the youngest (age 4 years) to a median of 714 (range 593–744) for one of the older individuals (age 25 years) with MDS (SDS8)./p> C donor splice site mutant hypomorphic SBDS allele (SDS5, 4, 7, Fig. 2) and one somatically acquired nonsynonymous SBDS mutation, also occurring on the hypomorphic allele (SDS10, Fig. 2). We also identified a chr15 event (15q24-26 tetra) that doubles the copy number of the EFL1 gene located at 15q25.2. These somatic events appear to be directly compensating for the germline defect that impairs the cooperation between SBDS and EFL1 that is required for ribosome maturation8./p>1, q < 0.01) (Figs. 2 and 3a), both encoding protein components of the large ribosomal subunit. Overall, we identified 24 independent missense mutations in TP53 (Supplementary Fig. 3), by far the most commonly mutated gene in the cohort, and 1 start codon loss, 4 missense, 2 nonsense, 1 frameshift mutation and 5 gene deletions in EIF6. The somatic mutations in RPL22 suggested loss of function (1 start codon loss, 1 nonsense, 2 splice site, 1 missense and 2 in frame deletions), while RPL5 and PRPF8 mutations were missense SNVs (n = 4 and 2 respectively). Mutations in TP53, EIF6, RPL5 and RPL22 genes were recurrent within the same individual, with 9 different TP53 mutations observed in SDS5 and 5 independent EIF6 mutations occurring in SDS7 (Fig. 2). In addition to recurrent mutations in PRPF8, TP53, EIF6, RPL5 and RPL22, we observed mutations in DNMT3A, ASXL1, TET2 and RUNX1 associated with clonal haematopoiesis (CH), consistent with the study by Kennedy et al.18. We term recurrent mutations in either SDS-associated or known genes of CH33,34/haematological cancers35 as driver mutations (see “Methods”). Across all the individuals in this study who had a mean age of only 18 years (4–33 years range), 31% of colonies (101/323) harboured a driver mutation (Fig. 2 and Supplementary Fig. 2)./p> 1, q < 0.01). b Proportion of cells per individual carrying driver mutations classified by gene and chromosomal abnormality. CH genes associated with clonal haematopoiesis, CNA copy number alteration. c Timing of division of the most recent common ancestor (MRCA) of clonal expansions (clade comprising 2 or more colonies) harbouring driver mutations. This gives the latest time point (together with 95% credibility interval) by which the driver mutation was acquired as represented by the inferred timing of the end of the shared branch, but it is possible that the driver mutation occurred at any time along the branch that harbours the driver mutation. The top panel illustrates the diversity of timings within a single individual (SDS5) and the bottom panel shows the timing of all the identified driver based expansions in the full cohort (including SDS5) with the exception of SDS8. A total of 14 branches harbouring driver mutations from the cohort are timed for their latest age of acquisition. The bars span the 95% credibility interval of the MRCAs. Source data are provided as a Source Data file./p> CT allele, instead carrying two SBDS germline mutations (c.258 + 2T > C, c.258 + 1G > C) that disrupt the intron 2 donor splice site7. SDS9 was one of the older individuals in our cohort (26.2 years) and similar individuals lacking driver mutations were also observed by Kennedy et al.18. In future, it will be interesting to determine whether individuals who progress to marrow aplasia represent a specific subset of SDS disease evolution where driver mutation mediated clonal expansion has been insufficient to mitigate the bone marrow failure phenotype./p>

c mutation of the SBDS gene does not promote development of myeloid malignancies in patients with Shwachman syndrome. Leukemia 23, 708–711 (2009)./p>