——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
8月23日，國際學(xué)術(shù)期刊Cell Reports在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）石建濤研究員與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院方海教授的最新研究成果“Toward the DNA methylation haplotype map of 11 common solid cancers”。該研究通過全基因組亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS），繪制了11種中國人群常見實(shí)體瘤的DNA甲基化單體圖譜（DNA methylation haplotype map），并鑒定出81,567個(gè)DNA甲基化單體水平上的共甲基化區(qū)間，稱為DNA甲基化單體塊（Methylation Haplotype Blocks,MHBs）。大規(guī)模數(shù)據(jù)整合分析表明，腫瘤MHB富集了腫瘤特異性調(diào)控元件，和腫瘤細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控顯著相關(guān)，也能作為腫瘤液體活檢的標(biāo)志物。
DNA甲基化是重要的表觀遺傳修飾，在基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)研究策略通常采用CpG位點(diǎn)甲基化平均水平作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此劃分出無甲基化區(qū)域（UMR）、低甲基化區(qū)域（LMR）以及部分甲基化結(jié)構(gòu)域（PMD）等功能區(qū)塊（Burger et al.,2013）。然而，這種基于均值的分析方法存在重要缺陷：僅考慮甲基化的整體水平，忽略了單個(gè)DNA分子上的甲基化分布模式，即DNA甲基化單體特征。相同的平均甲基化水平可能對(duì)應(yīng)不同的單體甲基化構(gòu)型，產(chǎn)生截然不同的轉(zhuǎn)錄調(diào)控效果。不僅如此，鄰近CpG位點(diǎn)的甲基化狀態(tài)并非隨機(jī)分布，而是可能存在相關(guān)性。受此啟發(fā)，研究者運(yùn)用群體遺傳學(xué)的連鎖分析理念，識(shí)別出具有協(xié)同甲基化特性的基因組片段，并將其命名為甲基化單體塊（MHB）（Shoemaker et al.,2010；Guo et al.,2017）。這些區(qū)域被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基因組單元，在胚胎發(fā)育過程中維持相對(duì)穩(wěn)定。盡管如此，MHB在不同腫瘤中的分布特征及其潛在的生物學(xué)意義，仍需深入研究。
在以往的研究中，石建濤研究組創(chuàng)建了新的DNA甲基化單體格式mHap（Zhang et al.,2021），并開發(fā)了配套分析軟件mHapTk（Ding et al.,2022）和數(shù)據(jù)平臺(tái)mHapBrowser（Hong et al.,2023），為大規(guī)模整合分析提供了技術(shù)支撐。該團(tuán)隊(duì)與方海研究組合作，利用海量公共WGBS數(shù)據(jù)資源，克服了傳統(tǒng)"甲基化均值"分析的瓶頸，構(gòu)建了涵蓋17種正常組織的DNA甲基化單體圖譜（Feng et al. 2023），并發(fā)現(xiàn)了一類由甲基化單體特征定義的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件。
在此基礎(chǔ)上，兩個(gè)研究組再度合作，將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向高度異質(zhì)性的實(shí)體腫瘤。首次在泛癌水平上對(duì)中國人群11種常見、原發(fā)實(shí)體瘤樣本進(jìn)行深度WGBS測(cè)序，共鑒定出 81,567個(gè)非冗余的腫瘤MHB。這些基因組區(qū)間富集了腫瘤特異性調(diào)控元件，在排除了差異甲基化區(qū)間的影響后，仍然同腫瘤差異表達(dá)的基因顯著相關(guān)，并在多個(gè)腫瘤類型中富集G2/M檢查點(diǎn)、MYC靶基因和E2F信號(hào)通路等致癌通路。腫瘤MHB可用于分析腫瘤DNA甲基化異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)甲基化失調(diào)與驅(qū)動(dòng)性突變存在關(guān)聯(lián)，且富集于炎癥相關(guān)通絡(luò)。在轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面，腫瘤MHB可為復(fù)雜癌癥的早期預(yù)警和分子檢測(cè)提供高度特異性的潛在標(biāo)志物。綜上所述，腫瘤MHB作為多模態(tài)表觀遺傳調(diào)控因子，有效連接了腫瘤異質(zhì)性、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和液體活檢診斷，為腫瘤復(fù)雜生物學(xué)特征解析及臨床診斷應(yīng)用提供了新途徑。
分子細(xì)胞卓越中心研究生洪毓陽以及上海交通大學(xué)張志強(qiáng)博士為該論文的共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心石建濤研究員和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院方海教授為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了分子細(xì)胞卓越中心高性能計(jì)算平臺(tái)的大力支持。該項(xiàng)目由國家自然科學(xué)基金資助。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124725009684
腫瘤DNA甲基化單體圖譜
