近日，细胞生态海河实验室石莉红教授、朱平教授、竺晓凡教授和程涛教授合作团队在《Cell Discovery》期刊在线发表了题为“Decoding the pathogenesis of Diamond-Blackfan anemia using single-cell RNA-seq”的研究论文（Featured article）（细胞生态海河实验室为第一完成单位）。此研究从单细胞转录组水平解析了DBA患者发病机制，阐明了糖皮质激素治疗有效分子机理，同时发现I型干扰素在DBA临床治疗中可能存在巨大潜力。该研究结果不仅拓宽了红细胞研究领域认知，也为其余核糖体病的研究提供了理论依据。此外，研究人员根据研究结论设计并注册了干扰素治疗激素无效输血依赖DBA患者前瞻性临床试验，为DBA的治疗带来了新希望。
先天性纯红系再生障碍性贫血（Diamond Blackfan anemia，DBA）是一种罕见的遗传性的骨髓衰竭性疾病，临床主要表现为1岁以内发病的中重度贫血，骨髓红系造血细胞明显减少甚至缺如，约60%的患者携带核糖体蛋白基因杂合突变[1]。糖皮质激素是DBA临床治疗的一线药物，然而长期应用糖皮质激素对患者身高体重、内分泌及免疫系统发育影响巨大，并且有20%左右的患者激素治疗无反应，只能依靠持续输血支持或者造血干细胞移植进行治疗，给家庭、社会等造成了沉重的负担[2,3]。由于DBA患者红系祖细胞数量极少，既往受研究方法的限制，无法回答为什么核糖体突变特异性地导致DBA患者红系贫血，但对其他造血谱系却没有影响的问题。同时，糖皮质激素治疗有效或无效的分子生物学机制也没有得到很好的解释。
研究人员首先收集5例健康供者和11例包含初诊（UT）、糖皮质激素治疗有效（GCR）及治疗无效（GCNR）三种类型的DBA患者骨髓样本作为研究材料，利用流式细胞术分选红系祖细胞（BFU-E）。使用单细胞转录组测序技术（3’STRT-seq）完成 BFU-E细胞的深度测序。
随后利用生物信息学分析方法，发现人红系祖细胞BFU-E具有异质性，根据发育阶段可以分为5群。通过流式细胞术以及克隆形成实验证实，相比正常供者，DBA患者BFU-E细胞比例降低且增殖能力差，凋亡增加。同时，发现初诊DBA患者BFU-E细胞更多进入S期，细胞周期加快。当加用糖皮质激素治疗后，激素有效患者细胞周期减慢，红系祖细胞凋亡减少，激素无效患者变化不显著。
基于以上研究，研究人员认为，DBA患者在出生后红系造血需求增加的压力下红系祖细胞细胞周期加快，被迫进入细胞周期S期，DNA复制压力增加。由于核糖体蛋白基因突变导致的核糖体蛋白单倍剂量不足，无法满足细胞周期加快的需求，进而导致P53激活、凋亡信号通路激活，红系祖细胞凋亡增加。而糖皮质激素可以通过减慢DBA患者红系祖细胞细胞周期速度，减少红系祖细胞凋亡，达到治疗作用。
研究人员进一步对比了糖皮质激素治疗有效和无效患者的表达谱，发现治疗有效的患者I型干扰素水平表达大幅提升，并且可通过靶基因MYC调控核糖体生物合成，减弱核仁应激。造血干细胞红系分化实验证实，小剂量I型干扰素可促进红系祖细胞增殖，同时I型干扰素和糖皮质激素可能存在协同效应。RPS19突变患者原代造血干细胞培养同样证实，小剂量I型干扰素可使DBA患者BFU-E细胞凋亡减轻，红系造血增加。
综上，该研究首先提出了DBA发病的新机制：一方面，核糖体基因突变导致蛋白质合成供应不足；另一方面，为满足机体所需，DBA患者BFU-E细胞被迫进入细胞周期S期，需要进行大量DNA复制，这种“供需”矛盾大幅提升复制压力，导致DNA损伤，最终P53激活，细胞凋亡。此发现回答了核糖体基因突变为何特异性导致DBA红系贫血的问题。同时，该研究还发现，小剂量I型干扰素可作为DBA潜在治疗药物，鉴于I型干扰素在儿童疾病应用的广泛性和安全性，已注册相应临床试验。
细胞生态海河实验室石莉红教授、朱平教授、竺晓凡教授以及程涛教授为共同通讯作者。团队成员王冰蕊、王晨晨、万扬以及高洁为并列第一作者。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41421-022-00389-z
参考文献：
1. Da Costa, Lydie et al. “An on the pathogenesisdiagnosis of Diamond-Blackfan anemia. F1000Research vol. 7 F1000 Faculty Rev-1350. 29 Aug. 2018
2. Mills, Eric W,Rachel Green. “Ribosomopathies: Theres strength in numbers.” Science (New York, N.Y.) vol. 358,6363 (2017): eaan2755
3. Da Costa, Lydie et al. “Diamond-Blackfan anemia.” Blood vol. 136,11 (2020): 1262-1273
撰稿：王晨晨 万扬 王冰蕊 高洁
编辑：高佳佳
校对：柴子越
审核：祁健伟 周家喜
