「支稜」起來!解碼 DNA 結構,三維基因組學揭開癌症發展謎團

真核生物的染色質在細胞核內會摺疊成複雜的三維結構,染色質有序摺疊的層級結構在基因表達和細胞功能調控等細胞過程中有著重要作用。

染色體的結構和數量重排,統稱為結構變異(Structural variation,SV),在很大程度上貢獻了人類基因組的遺傳多樣性,與癌症遺傳學、罕見病和進化遺傳學有著高度的相關性。SV 不僅能影響基因的劑量,還能調節基因調控的基本機制。SV 可以改變調控元件的複製數,或通過破壞染色質的高階組織(如拓撲關聯結構域-TAD)來修改三維基因組。由於這些位置效應,SV 可以影響遠離 SV 斷點的基因表達,從而導致疾病發生。

近期有兩篇有關三維基因組學角度揭示胰腺癌發生機制的高分文章發表在國際期刊Journal of Hematology & OncologyAdvanced Science,研究分別闡釋了胰腺癌轉移調控機制,以及結構變異與染色質三維結構重塑參與胰腺癌發生發展的機制。安諾優達三維基因組大項目團隊參與了這兩篇文章的實驗和資料分析支持。

胰腺癌是一種致命的惡性腫瘤,有「癌症之王」的稱號,絕大多數來源於胰管上皮的胰腺導管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma,PDAC)。胰腺癌晚期極易出現轉移,確診後的五年生存率約 11%(American Cancer Society. Cancer Facts & Figures 2022. Atlanta: American Cancer Society;2022)。經典 PDAC 發展模型認為:KRAS、CDKN2A、TP53 和 SMAD4 等特定的遺傳基因突變能相繼啟動和驅動 PDAC 的進展。最新發展的染色質空間構象捕獲技術和三代長讀長檢測染色質結構變異技術,對於多維度全面地解讀 PDAC 發生發展的分子機制十分重要。

在癌症基因組中,基因組三維結構一般會有比較大的改變,三維基因組的改變對癌症發生、發展機制或轉移的影響一直是目前研究關心的重點。三維基因組不光可以研究染色質的互動、基因與功能元件之間的調控,也可以輔助二代或三代 DNA 測序更全面的鑑定全基因組的大規模結構變異,比如 chromothripsis 在染色體互動上的表現異常明顯,更能反映染色體結構變化的複雜性。

此次Journal of Hematology & OncologyAdvanced Science雜誌刊發三維基因組技術解析胰腺癌的成果,凸顯了應用表觀基因組、三維基因組以及長度長 DNA 測序從調控和染色質結構變異角度綜合探索癌症發生發展機制的重要性。現將已發表的兩篇研究的內容和發現分享如下:

文章一:胰腺癌中結構變異與 3D 基因組結構的動態互作

題目:High-resolution Hi-C maps highlight Open Access multiscale 3D epigenome reprogramming during pancreatic cancer metastasis.

期刊:Journal of Hematology & Oncology

研究團隊:中國醫學科學院北京協和醫院趙玉沛院士團隊

IF:17.388

發表時間:2021.8

材料:正常人胰腺上皮細胞(HPNE)、原代胰腺癌細胞(PANC-1)和轉移性胰腺癌細胞(Capan-1)

組學:Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq、TCGA + GEO

研究思路

從三維基因組角度直接分析癌症樣本的改變,並對其中涉及到的基因進行公共資料和動物實驗驗證。

研究發現

1. 轉移性胰腺癌細胞的 Compartment A/B、TAD 和 loop 環發生顯著變化;

2. 鑑定了胰腺癌轉移關鍵的候選基因 LIPC 在轉移癌中形成 Enhancer-loop,並在胰腺癌轉移病灶中顯著上調;

3.公共資料顯示與原發性胰腺癌和正常胰腺組織相比,LIPC 在肝轉移中的表達更高;

4. 體內體外實驗顯示,LIPC 可以促進胰腺癌的遷移和侵襲過程。

圖 1:轉移特異性增強子環化基因與胰腺癌轉移和不良預後相關

圖 2:LIPC 位點周圍的 Hi-C 互動熱圖和表觀基因組景觀;

文章二:高解析度 Hi-C 圖譜揭示胰腺癌轉移過程中的多尺度 3D 表觀基因組重程式設計

題目:Dynamic Interplay between Structural Variations and 3D Genome Organization in Pancreatic Cancer

期刊:Advanced Science

研究團隊:國家癌症中心、中國醫學科學院腫瘤醫院王成鋒主任團隊

IF:16.806

發表時間:2022.5

材料:正常人胰腺上皮細胞(HPNE)、人胰腺導管上皮的胰腺癌細胞系(PANC1 和 BxPC3)

組學:PacBio SMRT、Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq、TCGA + GEO

備註:入選當期雜誌內封面

研究思路

系統地從一維線性和三維互作角度展示胰腺癌中的動態景觀和兩者改變的內在聯繫。在這個過程中通過關注胰腺癌經典致癌基因發現了染色質碎裂重排的現象,並結合了比較新的增強子劫持腫瘤發生機制進行分析。

研究發現

1. 系統地描述了胰腺癌中三代技術鑑定到的染色質結構變異圖譜;

2. 對胰腺癌中的複雜染色質結構變異與高階染色質構象變化之間的動態聯繫進行了系統報道;

3. 通過關注胰腺癌關鍵驅動基因 CDKN2A 和 SMAD4,發現了涉及的大規模基因組結構重排。通過重構重排後的染色質,提出重排涉及的致癌基因 MIR31HG、MYO5B 的表達可能受 Enhancer Hijacking 模式導致的異常調控。

圖 3:胰腺癌中染色質結構變異對三維基因組的影響

圖 4:胰腺癌中 SMAD4 刪除涉及的染色質碎裂導致的染色質結構重排

三維基因組學技術經過十多年發展,已經發展出很多解析三維基因組組織結構的方法,這些方法技術被應用在了從發育生物學到癌症醫學的許多領域,使人們能夠真正前所未有地了解正常組織的染色質在空間上是如何組織的,以及在癌症、疾病等細胞群體中是如何被破壞的。隨著單細胞技術的發展,研究不同核拓撲結構的細胞群的基因表達調控,以及不同細胞群的 DNA 結構變異關聯的三維基因組異質性變得越來越重要。

安諾優達作為業內三維基因組測序服務提供商,2015 年初首次在國內推出動物群體細胞 Hi-C 服務,隨後將人類染色體三維構象解析解析度提升至 1 Kb 水平。7 年來,安諾 Hi-C 技術不斷發展,合作文章發表於Nature、Cell等國際高水平期刊,實現與 ATAC-Seq、ChIP-Seq、WGBS、RNA-Seq、三代重測序等多種組學聯合分析,互作項目累計影響因子 300+。

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