嘌呤代谢酶突变在儿童急性淋巴细胞白血病耐药复发中的作用机制

Relapse is the leading cause of mortality in children with acute lymphoblastic leukemia (ALL) and the mechanisms is not clear. Using whole-exome sequencing, we identified relapse-specific mutations in phosphoribosyl pyrophosphate synthetase 1(PRPS1), a rate-limiting purine biosynthesis enzyme, and many key enzymes mutations in purine metabolic pathway. All individuals who harbored PRPS1 mutations relapsed early on-treatment. PRPS1 mutants conferred resistance to thiopurine. The results suggest that disorders of purine metabolism plays an important role in relapsed childhood ALL. The function and mechanism of purine metabolism in relapse childhood ALL need to study. We will use Genomic and functional analytical techniques to verify the variation frequency and function of key enzymes of purine metabolism in relapsed childhood ALL, use systems biology to identify the purine metabolism, drug metabolism and tumor cell metabolism character, and reveal the mechanism of key enzymes of purine metabolism mediated childhood ALL relapse. This project will offer therapeutic strategies for the treatment of relapsed and resistant ALL.

耐药复发是儿童急性淋巴细胞白血病（ALL）治疗失败致死的主要原因，但其分子机制欠明。我们前期研究发现儿童ALL样本中磷酸核糖焦磷酸合成酶（PRPS1）等嘌呤代谢关键基因（PRPS2, ATIC, ADSL, GART, PFAS）存在多个位点的复发特异性突变，且具有PRPS1突变的病人均在早期复发；功能实验发现表达PRPS1突变体的Reh细胞对化疗药物6-MP/6-TG产生了耐药性，以上结果提示嘌呤代谢异常在儿童ALL耐药复发过程中具有重要的作用，其具体功能与机制亟待研究。本项目拟在前期工作的基础上，通过基因组学与细胞生物学等手段验证嘌呤代谢关键酶在儿童ALL复发样本中的变异频率与功能；通过系统生物学手段研究嘌呤、核酸类似药物、肿瘤细胞代谢特征，揭示嘌呤代谢关键酶变异介导儿童ALL耐药复发的机制。本项目将为基于肿瘤耐药复发特异性关键基因突变和代谢异常的分子诊断平台和个体化治疗策略提供理论基础。

为了研究急淋耐药复发的机制，我们构建了淋巴细胞白血病细胞系Reh的6MP及6TG的耐药株6MPR与6TGR，耐药细胞的IC50是原始Reh细胞的近1000倍，但对其他化疗药物敏感性并无明显差异，同时6MP代谢在耐药细胞株中受到了明显抑制。进一步通过全外显子组测序，我们发现6MPR与6TGR耐药细胞中存在基因HPRT1-V165fs的突变。机制研究显示HPRT1-V165fs突变是功能缺失性突变，在耐药细胞系6MPR与6TGR中过表达野生型HPRT1，可以使耐药细胞系对6MP敏感，并且可以回复6-MP在细胞中的代谢。本项目的工作提出了嘌呤代谢关键基因HPRT1的活性在巯嘌呤类药物耐药中的重要作用。. 我们前期发现PRPS1在儿童急淋中存在复发特异突变，其通过降低化疗药物6MP的代谢，使急淋耐药复发。后续通过联合用药策略，发现甲氨蝶呤（MTX）可以逆转PRPS1突变引起的白血病细胞对6MP的耐药性，机制研究发现MTX主要是通过抑制嘌呤从头合成途径来降低PRPS1突变细胞中异常积累的次黄嘌呤，提高了6MP在PRPS1突变耐药细胞中的代谢水平。为了寻找直接作用于PRPS1突变的耐药细胞，通过筛选临床常用的化疗药物，我们发现了PRPS1突变的细胞对5-FU更加敏感，机制研究发现在PRPS1突变的细胞中异常积累的代谢产物PRPP，是化疗药物5-FU活化所需的底物，进而促进了5-FU在细胞中的活化，更好的杀伤肿瘤细胞，这为今后具有PRPS1突变的急淋耐药复发病人的临床治疗提供了重要的理论依据。