单细胞DNA甲基化分析揭示疾病向肿瘤进展过程中的表观遗传通路

2026年7月1日，西班牙巴塞罗那大学/何塞普·卡雷拉斯白血病研究所Manel Esteller教授团队在国际血液学期刊《Leukemia》发表题为“Single-cell DNA methylation analysis uncovers epigenetic pathways in the transformation of MDS to AML”的 letters科研文章。研究纳入5例经低甲基化药物（HMA，阿扎胞苷）单药治疗后由骨髓增生异常综合征（MDS）进展为继发性急性髓系白血病（sAML）的患者，共采集15个骨髓纵向样本（诊断期、HMA治疗后、AML转化期），并以1例年龄匹配的健康骨髓作为对照。研究利用Smart-RRBS（单细胞简化基因组亚硫酸盐测序，亦称scRRBS）联合Smart-seq2技术，在单细胞水平解析DNA甲基化与转录组，并辅以10x Genomics高通量单细胞RNA测序、单细胞DNA测序（scDNA-seq）及单细胞蛋白质测序（scProt-seq），构建了MDS向AML进展过程中的多组学图谱系统，揭示了MDS向AML转化过程中的表观遗传动态、克隆动态及细胞组成变化，为理解MDS向AML转化的表观遗传机制及治疗耐药提供新视角。

标题：Single-cell DNA methylation analysis uncovers epigenetic pathways in the transformation of MDS to AML（单细胞DNA甲基化分析揭示了MDS向AML转化过程中的表观遗传通路）

发表时间：2026年7月1日

发表期刊：Leukemia

影响因子：IF13.4/Q1

技术平台：Smart-RRBS（scRRBS）、Smart-seq2等

作者单位：西班牙巴塞罗那大学/何塞普·卡雷拉斯白血病研究所

DOI：10.1038/S41375-026-03015-z

研究亮点

（1）从健康骨髓到AML进展，总体呈现表观突变率（PDR）升高趋势，提示DNA甲基化模式多样性伴随细胞间异质性增加；

（2）HMA治疗与表观遗传异质性增加相关，但该效应与临床疗效无直接关联；

（3）通过表观遗传系统发育树揭示应答者与无应答者截然不同的克隆变化模式；

（4）多种恶性干细胞群体在MDS-to-AML进展中平行共变化，形成动态竞争格局而非线性进化路径。

研究方法

（1）样本：收集5名MDS患者的15份骨髓样本，分别在三个时间点：MDS诊断时（Dx）、HMA（阿扎胞苷）治疗后（Post-HMA）、以及进展为AML时（sAML）。阴性对照为1名年龄匹配的健康骨髓。根据对HMA的临床反应分为应答者（完全或部分缓解）和无应答者（疾病进展或稳定）。

（2）单细胞RRBS（Smart-RRBS）与Smart-seq2

Smart-RRBS：对单细胞基因组DNA（gDNA）进行RRBS建库测序，并进行甲基化位点检测和比对。计算每个细胞的表观突变率（PDR，即不一致读段比例），以及反映细胞间异质性的ΔPDR。整合单细胞DNA甲基化与基因表达数据，进行相关性分析。基于单细胞甲基化数据构建系统发育树。

Smart-seq2：单细胞mRNA通过Smart-seq2技术进行扩增和建库，伪批量差异表达分析和基因集富集分析鉴定关键的生物学通路变化，评估基因标记得分。

（3）10x Genomics单细胞RNA测序：对全骨髓样本进行scRNA-seq，以进行大规模细胞图谱分析。

（4）单细胞DNA和蛋白测序：对靶向53个髓系肿瘤相关基因的DNA panel和42个细胞表面蛋白的抗体-寡核苷酸结合物（AOCs）进行同步测序，以获取单细胞水平的基因突变和蛋白表达信息。

结果图形

（1）MDS向AML进展过程中表观突变率（PDR）与表观遗传异质性（ΔPDR）的纵向变化

研究团队首先利用Smart-RRBS技术对单细胞DNA甲基化数据的深度解析。分析结果表明，从健康骨髓（hBM）到MDS诊断（Dx），再到HMA治疗后（Post-HMA），最终至AML进展，PDR总体呈现进行性升高的趋势，提示DNA甲基化模式多样性随疾病恶性程度增加而累积，细胞间异质性也随之增强。

图1：MDS向AML进展过程中表观突变率（PDR）与表观异质性（ΔPDR）纵向变化

A.   研究设计示意图。

B.   表观突变率计算为不一致读段比例（PDR，上），以及关于ΔPDR与克隆异质性之间关系简要说明（下）。

C.   四种条件下每个细胞的表观突变率（PDR）箱线图：健康骨髓（hBM）、MDS诊断时（Dx）、去甲基化药物治疗后（Post-HMA）以及进展为急性髓系白血病（AML）（上图）。每种条件下表观突变率的绝对细胞间差异（ΔPDR）箱线图（下图）。

D.   应答者和无应答者患者箱线图显示每个细胞及每种条件下（hBM、Dx、Post-HMA、AML）的 PDR 和ΔPDR（上图）。每种条件下的ΔPDR箱线图（下图）。

（2）HMA应答者和无应答者中的表观遗传谱系和细胞组成动态变化

研究团队通过Smart-RRBS数据构建单细胞DNA甲基化的系统发育树，并结合scRNA-seq（10x Genomics）和scProt-seq数据解析细胞组成变化。通过谱系分析，直观展示用于揭示HMA应答者和无应答者的差异克隆进化模式。应答者表现为不同疾病阶段表观遗传特征分离，以及治疗后mSC清除；而无应答者则表现为治疗后残留的mSC与sAML细胞在表观遗传上的连续性，提示这些细胞可能介导疾病进展。上述研究结果为理解治疗抵抗和疾病进展机制提供了直接的细胞和分子证据。

图2：HMA应答者和无应答者中的表观遗传谱系和细胞组成动态。

A-B. 所研究的五名患者（应答者A；无应答者B）的表观遗传谱系细胞根据时间点着色：MDS诊断时（Dx）、去甲基化药物治疗后（Post-HMA）以及进展为急性髓系白血病（AML）。

C.UMAP图显示在MDS诊断时和HMA治疗后，通过scRNA-seq定义的骨髓细胞群的分布。虚线圆圈代表HSC/MPP、CMP和GMP细胞群。

结论和启示

本研究通过单细胞DNA甲基化和单细胞转录组分析揭示了MDS向AML转化过程中的表观遗传通路。从健康骨髓到AML转化，表观突变率（PDR）逐步升高；HMA治疗增加表观遗传异质性但不直接决定临床疗效；应答者与无应答者展现出显著的表观遗传模式差异；遗传和表观遗传路径共同介导转化，多个mSC群体平行共变化。

Smart-RRBS和Smart-seq2在本研究中的重要作用

双组学优势：直接建立单细胞层面的甲基化-表达因果关系。

表观突变追踪：基于单细胞RRBS数据计算的PDR和ΔPDR，为追踪疾病进展中每个细胞的表观突变累积和样本内异质性提供定量指标，可直接应用于其他血液系统恶性肿瘤的进展研究。

系统发育树重建：基于单细胞DNA甲基化数据构建的表观遗传系统发育树，为追踪克隆变化轨迹和识别耐药细胞提供全新视角。

参考文献：

Bueno-Costa A, Campillo-Marcos I, Casado-Peláez M, Yassine K, Noguera-Castells A, Zamora L, Xicoy B, Solé F, Mata C, Park J, Ganesan S, Della Porta MG, Ferrer G, Landau DA, Esteller M. Single-cell DNA methylation analysis uncovers epigenetic pathways in the transformation of MDS to AML. Leukemia. 2026 Jul 1. doi: 10.1038/s41375-026-03015-z.