Cell|表觀遺傳改變致癌？大規模拓撲學變化抑制腫瘤惡性進展

撰文 | Victoria

責編 | 兮

追溯近百年來的腫瘤病理學發展，病理學家不斷觀察到了癌細胞核形狀、大小、染色質結構的變化，這些變化特徵幫助病理學家確定癌症的分型和分級，對於癌症的治療和預後都非常重要。然而，儘管重要性眾所周知，可是這些形態學變化的分子基礎仍不明確。分子和遺傳學研究已經證明了人類腫瘤中廣泛存在著表觀遺傳的缺陷（例如染色質調節子突變、DNA甲基化改變等）【1】。然而，染色體高級結構在癌症中的命運卻仍然未知。

結直腸腺癌是非常常見的上皮腫瘤，儘管結直腸腺癌的研究已陸續發現了不少表觀遺傳學的改變，然而，這些表觀遺傳學的變化與基因組拓撲學有什麼關聯，大家還不清楚。

近日，哈佛醫學院麻省總醫院以及Broad Institute的Bradley E. Bernstein和Martin J. Aryee領導的研究小組在Cell雜誌上發表題為Large-Scale Topological Changes Restrain Malignant Progression in Colorectal Cancer的研究論文，在這篇文章中，作者將結腸癌和正常結腸的拓撲圖與表觀遺傳學、轉錄和成像數據進行整合分析後，發現與傳統觀點「腫瘤相關的表觀基因改變主要是致癌的」相反，腫瘤中的拓撲變化實際上是細胞分裂積累的結果，這些變化不但抑制腫瘤細胞的乾性，而且誘導了抗腫瘤免疫，實際上它可能具有抑癌作用。

為了了解結直腸癌細胞核結構是如何變化的，作者分析了原發性結腸癌、正常結腸和結腸癌細胞系中的基因組拓撲結構、DNA甲基化、染色質修飾以及轉錄因子的變化（圖1）。作者進行了拓撲相關結構域（TAD）及其邊界的探索，發現結腸腫瘤、正常結腸和細胞系的拓撲邊界基本上是保守的，只有一小部分高甲基化腫瘤例外。

圖1. 實驗設計圖

基因組總體可以分為兩大部分：一部分是開放的、轉錄活躍的稱為A區室（A compartment），另一部分封閉的、相對沉默的稱為B區室（B compartment）。儘管正常結腸和腫瘤之間的分區基本一致，但A區室和B區室之間的遠程互作在腫瘤中更為頻繁。作者採用了最前沿的測序Hi-C【2】，結合生信分析、甲基化檢測和成像技術，作者發現在A區室和B區室交界處存在一個重組的中間區室I區（Intermediate compartment），它在細胞核中的空間位置在中間，與常規的A區室和B區室相互作用。在腫瘤中，I區室普遍處於低甲基化，更趨近於B區室（圖2）。

那麼這個新發現的I區是否和不同的組蛋白修飾相關呢？作者進一步研究發現，在腫瘤中，除了其拓撲特徵之外，I區的異染色質狀態、轉錄和甲基化水平都與其他區有所不同。作者用去甲基化試劑5-aza處理結腸癌細胞後發現阻斷低甲基化可能是結腸腫瘤細胞不同區域結構改變的基礎。

隨著細胞分裂的逐步積累，作者發現低甲基化和拓撲結構的差異逐漸顯現，因此，這種拓撲結構的變化可能是細胞分裂積累的結果，並且可能是在細胞增殖過程中逐漸形成的。在正常的細胞核中，A、B和I區在空間上是分離的。在腫瘤或衰老細胞中，隨著細胞分裂，區室特異性的表觀遺傳狀態和拓撲變化逐步產生（圖2）。

緊接著作者研究了區間重組對轉錄帶來的影響，發現區間的重組會誘導腫瘤種系抗原（CGAs）和內源性逆轉錄病毒（ERVs）等抗腫瘤免疫有關的變化（圖2），並抑制與Wnt信號、上皮-間質轉化、侵襲和轉移有關的基因。因此，腫瘤中顯著的拓撲改變實際上與腫瘤抑制轉錄程序有關。

圖2. 文章總覽圖

最後，作者還進行了結腸活檢和腫瘤隊列甲基化和表達數據分析，得出了腫瘤中拓撲學變化對腫瘤抑制作用的臨床支持。首先，正常結腸活檢的甲基化情況顯示，年齡相關的B區和I區低甲基化與降低結直腸癌風險相關【3】。第二，結直腸腫瘤隊列的檢查顯示，區室移位的轉錄特徵可以預測患者的預後和轉移的可能性。最後，泛癌分析表明，區室移位和腫瘤抑制作用也可能適用於其他上皮性腫瘤。

作者的結果對結直腸癌基因組拓撲學、甲基化和染色質狀態進行了系統性整合分析，總結起來共三大突破：首先，原發組織的拓撲學數據揭示了一個結構上與經典的A區室和B區室截然不同的中間區I區。其次，通過比較腫瘤和正常結腸，發現B和I室的空間劃分、核定位和表觀遺傳狀態都發生了廣泛的變化。第三，這些區域性改變與降低癌症風險和改善預後相關的腫瘤抑制表達程序相關。通常地，腫瘤相關的表觀遺傳改變通常被認為是致癌的，但本文中，作者的發現表明，腫瘤中的這些拓撲變化實際上抑制了腫瘤的惡性進展。未來對這些普遍存在的結構變化及其在癌症和衰老中的功能研究將會為疾病的早期發現、患者分層和治療幹預提供新的策略。

原文連結

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.030

製版人：琪醬

參考文獻

1. Baylin, S.B., and Jones, P.A. (2016). Epigenetic Determinants of Cancer.Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 8, a019505

2. Rao, S.S.P., Huntley, M.H., Durand, N.C., Stamenova, E.K., Bochkov,I.D., Robinson, J.T., Sanborn, A.L., Machol, I., Omer, A.D., Lander, E.S., andAiden, E.L. (2014). A 3D map of the human genome at kilobase resolution revealsprinciples of chromatin looping. Cell 159, 1665–1680.

3. Wang, T., Maden, S.K., Luebeck, G.E., Li, C.I., Newcomb, P.A., Ulrich,C.M., Joo, J.E., Buchanan, D.D., Milne, R.L., Southey, M.C., et al. (2020).Dysfunctional epigenetic aging of the normal colon and colorectal cancer risk. Clin.Epigenetics. 12, 5.