編者按
骨髓增生異常綜合征（Myelodysplastic Syndromes, MDS），是起源于造血干細(xì)胞的異質(zhì)性髓系克隆性疾病，以無效造血和貧血為主要特征，約30%的MDS患者最終會(huì)發(fā)展為急性髓系白血病（Acute Myeloid Leukemia, AML）。對許多MDS患者而言，反復(fù)的貧血和輸血是生活中難以擺脫的噩夢。盡管新藥Luspatercept的出現(xiàn)為患者帶來了曙光，但它是如何起效的、為何只對部分患者有效，一直是個(gè)未解之謎。
本期我們分享2025年5月27日發(fā)表在Journal of Clinical Investigation（IF=13.6）上的一項(xiàng)最新研究成果，該研究利用斑馬魚、小鼠、人類原代細(xì)胞等多模型及基因編輯技術(shù)，首次揭示了骨髓增生異常綜合征（MDS） 貧血的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)GDF11–SMAD2通路通過調(diào)控GATA1剪接影響紅細(xì)胞生成，是MDS貧血的關(guān)鍵機(jī)制，并闡明了luspatercept的作用機(jī)理，為MDS的精準(zhǔn)治療提供了新的理論基礎(chǔ)和潛在生物標(biāo)志物。
01、研究亮點(diǎn)
首次揭示了GDF11–SMAD2通路通過調(diào)控GATA1剪接影響紅細(xì)胞生成；
人類原代細(xì)胞、斑馬魚、小鼠等多模型一致驗(yàn)證了GDF11/luspatercept對GATA1s和貧血的調(diào)控作用；
在MDS患者中證實(shí)Luspatercept的作用機(jī)制，其通過抑制該軸、恢復(fù)GATA1正常剪接而發(fā)揮作用的分子基礎(chǔ)，為生物標(biāo)志物開發(fā)提供依據(jù)。
02、主要研究成果
1. MDS樣本中GDF11/ACVR2B/SMAD2通路上調(diào)
研究人員分析了183例MDS患者的CD34?細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)相較于健康對照組，MDS患者的GDF11、ACVR2B、SMAD2的mRNA水平顯著升高，而低風(fēng)險(xiǎn)MDS亞型——難治性貧血（RA）和環(huán)形鐵幼粒細(xì)胞性難治性貧血（RARS）患者的GDF11和ACVR2B轉(zhuǎn)錄本水平更高，貧血是其主要的臨床表現(xiàn)。此外，研究人員觀察到，SMAD2表達(dá)水平較高的樣本，其血紅蛋白(Hb)值較低。部分MDS患者外周血漿中檢測到GDF11；在GDF11水平升高的患者骨髓樣本中可見pSMAD2、ACVR2B表達(dá)水平升高。
圖1
2. GDF11抑制紅細(xì)胞生成
隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)，在人CD34?造血干細(xì)胞/祖細(xì)胞(HSPCs)和髓系細(xì)胞系中，GDF11可磷酸化SMAD2，而新藥luspatercept可以阻斷這一過程。為了確定GDF11對人類紅細(xì)胞生成過程的功能影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，GDF11處理紅系祖細(xì)胞(BFU-E/CFU-E階段)，會(huì)導(dǎo)致后期紅細(xì)胞成熟（GlyA?細(xì)胞）減少，且細(xì)胞倍增時(shí)間縮短，新藥Luspatercept可逆轉(zhuǎn)這些效應(yīng)，這表明GDF11在紅系分化的后期階段具有抑制作用。
接著，研究人員利用斑馬魚測試了GDF11在體內(nèi)的作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，斑馬魚胚胎注射GDF11后出現(xiàn)貧血表型，其血紅蛋白減少，Luspatercept處理后會(huì)使斑馬魚貧血表型緩解，且呈劑量依賴性。
圖2
3. GDF11/SMAD2信號通路激活下游轉(zhuǎn)錄調(diào)控
為了評估pSMAD2在基因組上的結(jié)合，并分析GDF11/pSMAD2誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄組變化，研究人員通過處理處于BFU-E/CFU-E成熟階段的人紅系祖細(xì)胞，并對相同樣本進(jìn)行了ChIP-Seq和RNA-Seq分析。ChIP-Seq結(jié)果顯示，GDF11處理導(dǎo)致SMAD2結(jié)合位點(diǎn)顯著減少；SMAD2富集于與紅細(xì)胞生成相關(guān)的基因位點(diǎn)，如血紅蛋白基因、轉(zhuǎn)錄因子及GATA1內(nèi)含子1區(qū)域結(jié)合。RNA-Seq結(jié)果顯示，GDF11上調(diào)抑制血紅蛋白和Myc調(diào)控的通路，并降低GATA1的mRNA水平。值得注意的是，GDF11處理導(dǎo)致GATA1外顯子2跳躍增加。
接著，研究人員利用基因編輯技術(shù)敲除了GATA1內(nèi)含子1中SMAD2結(jié)合位點(diǎn)，阻止了GDF11誘導(dǎo)的外顯子2跳躍，發(fā)現(xiàn)GDF11處理會(huì)誘導(dǎo)GATA1s產(chǎn)生功能受損的短型異構(gòu)體，Luspatercept可逆轉(zhuǎn)此效應(yīng)。
圖3
4. Luspatercept可顯著改善Gata1s導(dǎo)致的貧血狀態(tài)
隨后，研究人員通過敲除小鼠Gata1基因第2外顯子 (Gata1s小鼠)，來模擬持續(xù)性巨幼紅細(xì)胞性貧血。在小鼠模型中，Luspatercept (RAP-536) 治療8周后，顯著改善了Gata1s小鼠的貧血狀態(tài)，紅細(xì)胞計(jì)數(shù)(RBC)、血紅蛋白(Hb)、紅細(xì)胞比容(HCT)升高，且RAP-536增加了骨髓紅系祖細(xì)胞數(shù)量和成熟度。這些研究表明，GATA1的過度表達(dá)可以改善由于GATA1缺失引起的貧血，因此，研究人員推測RAP-536可能通過增加GATA1表達(dá)來克服Gata1s的低活性，從而挽救無效造血。
圖4
5. 在MDS患者中證實(shí)GATA1s比例與luspatercept療效相關(guān)
接著，研究人員在MEDALIST三期臨床試驗(yàn)中，以23名參與MEDALIST試驗(yàn)的MDS患者為研究對象，其中9名為非應(yīng)答者, 14名為應(yīng)答者，并對治療前后骨髓樣本進(jìn)行了RNA-Seq分析。結(jié)果顯示，對luspatercept有反應(yīng)的患者在治療前表現(xiàn)出較高的GATA1s比例，治療后其紅細(xì)胞計(jì)數(shù)上升與GATA1s相對減少相關(guān)。
基線時(shí)，應(yīng)答者與非應(yīng)答者整體轉(zhuǎn)錄組差異不大，但RNA剪接事件存在顯著差異，非應(yīng)答者更多。基線時(shí)，應(yīng)答者骨髓樣本中GATA1外顯子2跳躍事件，即GATA1s產(chǎn)生顯著高于非應(yīng)答者。經(jīng)過治療24周后，應(yīng)答者的GATA1外顯子2跳躍比率下降，而非應(yīng)答者無此趨勢或反而上升，且兩組間GATA1/ GATA1s比值變化存在顯著交互作用。
圖5
為了更好地助力缺鐵性貧血等相關(guān)疾病研究，環(huán)特生物通過在斑馬魚上對調(diào)控DMT1功能的基因進(jìn)行基因編輯，成功構(gòu)建了缺鐵性貧血模型，來有效模擬人類缺鐵性貧血的病理過程，并利用該模型系統(tǒng)評價(jià)改善貧血與補(bǔ)血藥物/營養(yǎng)保健食品的相關(guān)功效，為臨床治療提供參考和科學(xué)證據(jù)。歡迎新老客戶咨詢！
03、編者點(diǎn)評
本研究探討了骨髓增生異常綜合征（MDS） 中貧血的分子機(jī)制，首次揭示了GDF11–SMAD2通路通過調(diào)控GATA1剪接影響紅細(xì)胞生成，并通過人類原代細(xì)胞、斑馬魚、小鼠等多模型驗(yàn)證了GDF11/luspatercept對GATA1s和貧血的調(diào)控作用，為生物標(biāo)志物開發(fā)提供了新依據(jù)，更為MDS提供了新的治療策略和理論依據(jù)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
作為健康美麗產(chǎn)業(yè)CRO服務(wù)開拓者與引領(lǐng)者、斑馬魚生物技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，環(huán)特生物搭建了“斑馬魚、基因編輯、類器官、哺乳動(dòng)物、人體”等多維生物技術(shù)服務(wù)體系，開展健康美麗CRO服務(wù)、科研服務(wù)、智慧實(shí)驗(yàn)室搭建三大業(yè)務(wù)。目前，環(huán)特已建立200多種斑馬魚模型，腦類器官、胃癌、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養(yǎng)平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！
參考文獻(xiàn)：
Aluri, S., et al. (2025). Splicing of erythroid transcription factor is associated with therapeutic response in myelodysplastic syndromes. The Journal of Clinical Investigation, 135(13).