CancerDiscov|結直腸癌分子亞型的表觀遺傳基礎和特征轉錄因子

　　北京大學湯富酬及周鑫共同通訊在Cancer Discovery（IF 28）在線發表題為“Single-cell chromatin accessibility analysis reveals the epigenetic basis and signature transcription factors for the molecular subtypes of colorectal cancers”的研究論文，該研究利用單細胞染色質可及性分析揭示了結直腸癌分子亞型的表觀遺傳基礎和特征轉錄因子。

　　結直腸癌形成了一個高度異質性的腫瘤群，分為不同的基因組亞型、表觀基因組亞型和最近的轉錄組亞型。在CRC分類的不同方面，遺傳和轉錄組學的變化得到了更廣泛的研究和更好的理解。2015年，基于大量腫瘤樣本的轉錄組譜，建立了CRC的共識分子亞型(CMS)。CRC分為4個CMS 類別(CMS1-4)，分別以免疫浸潤、WNT和MYC激活、代謝失調和間質浸潤為特征。然而，大量轉錄組反映了異質腫瘤組織中平均基因的表達，從而模糊了腫瘤微環境中復雜的細胞型組成。

　　最近，通過分析CRC惡性上皮細胞的單細胞RNA測序(scRNA-seq)數據，鑒定出內在一致的分子亞型(iCMSs)。iCMS2細胞與CMS2腫瘤相對應，其特征是WNT和MYC活化程度更高，拷貝數變異(CNVs)水平更高，并且在左側結腸中普遍存在。相反，對應于CMS1和CMS3腫瘤的iCMS3細胞，其特征是MAPK通路活性更高，拷貝數變化更少，并且在右結腸中普遍存在。值得注意的是，在iCMS分類中未觀察到CMS4亞型，這表明纖維化與惡性上皮細胞的固有特征是分離的。這強調了單細胞組學技術在揭示腫瘤亞型復雜性方面的巨大潛力。

　　結直腸癌上皮細胞單細胞ATAC-seq圖譜（Credit: Cancer Discovery）

　　表觀遺傳調控機制也對腫瘤細胞的表型產生深遠的影響。由于DNA甲基化檢測與染色質相關檢測相比在技術上可行，因此先前對CRCs的表觀遺傳分類研究主要集中在DNA甲基化上。在某些CpG島上，CRCs的一個亞群具有異常增加的超甲基化頻率，形成了一個獨特的亞型，稱為CpG島甲基化表型(CIMP)。基于全基因組高甲基化程度，CRCs可分為CIMP-High、CIMP-Low和CIMP-Negative組。CIMP-High亞型與多種特定的臨床和組織病理學特征相關，幾乎涵蓋了所有BRAF突變病例。最近的一項研究利用測序技術(scATAC-seq)對轉座酶可及染色質進行單細胞測定，繪制結直腸癌惡性轉化的調控軌跡。然而，該研究主要集中在從健康結腸到癌的表型連續體上，大多數樣本來自癌前息肉，因此對惡性腫瘤細胞的表觀遺傳特征在很大程度上沒有探索。

　　為了繪制CRC的表觀遺傳圖譜，研究人員對29例患者的上皮細胞制作了高質量的單細胞染色質可及性圖譜。在腺瘤中獲得的異常染色質狀態在很大程度上保留在CRC中，這與相反的DNA甲基化變化密切相關。惡性細胞的無監督分析發現了兩個表觀遺傳亞型，與iCMS分類完全匹配，并鑒定出iCMS特異性轉錄因子，包括iCMS2腫瘤的HNF4A、PPARA和iCMS3腫瘤的FOXA3、MAFK。值得注意的是，亞型特異性TF結合不同的靶基因集，并有助于患者間染色質可及性和RNA表達的相似性和多樣性。此外，還鑒定了CpG島甲基化表型，并確定了CIMP-High亞型的染色質狀態特征和TF 調節因子。該研究系統地揭示了著名的iCMS和CIMP分類的CRCs的表觀遺傳學基礎。