Cell Rep丨石建涛/方海团队联合绘制11种常见实体瘤DNA甲基化单体图谱

异常的DNA甲基化是 肿瘤 的重要表观遗传特征，在 肿瘤 的发生、发展及耐药过程中发挥关键作用。DNA甲基化调控因子（如DNMT3A和TET2）在急性髓系白血病中反复出现突变，其人群突变频率分别为26%和10%。研究表明，TET功能缺失可通过阻碍去甲基化促进肺癌发生。针对DNA甲基化异常的治疗策略（如使用DNA甲基转移酶抑制剂或基于CRISPR的表观遗传编辑）被认为是极具潜力的癌症治疗 方法 。因此，深入解析 肿瘤 中的异常DNA甲基化特征对于开发新的治疗靶点具有重要意义。

近日， 中国科学院分子细胞科学卓越创新中心石建涛研究员与上海交通大学医学院附属瑞金医院方海研究员合作 ，在Cell Reports上 发 表 了Toward the DNA methylation haplotype map of 11 common solid cancers的研究 工作。通过全基因组亚硫酸盐测序（WGBS），绘制出11种中国人群常见实体瘤的DNA甲基化单体图谱，系统地揭示了基于测序片段水平的DNA甲基化单体区块 （ Methylation Haplotype Blocks, MHBs）在癌症中的转录调控作用与临床潜力。

在之前的工作中，石建涛 课题 组定义了 一种新的DNA甲基化单体格式mHap（ Zhang et al., 2021 ），并开发了相应的分析工具mHapTk（ Ding et al., 2022 ）和数据库mHapBrowser（ Hong et al., 2023 ），使得大规模、高效的整合分析成为可能。基于海量的公共 WGBS 数据，石 建涛 课题组与方海课题组深度 合作 ， 突破了传统“平均甲基化水平”分析的局限 ， 绘制 了17种 正常组织 的 DNA甲基化单体图谱 （ F eng et al. 2023 ）， 并 识别出了 一 类 由DNA甲基化单体特征定义的转录调控元件 ，即 DNA 甲基化单体区块（ DNA methylation haplotype block, MHB ） 。

在此基础上，两个课题组再次通力合作，将研究目标转向 高度异质性 的肿瘤。 首次在泛癌水平上对 中国人群11种常见 原发 实体瘤 样本进行 深度 WGBS测序， 共 鉴定出 81,567个非冗余的 肿瘤 MHBs ， 这些 MHBs 呈现显著的 肿瘤类型 特异性，并 可能富 集于调控元件 内 。

为了研究肿瘤 MHB 区域是否为基因组上的顺式调控元件，该 研究团队 与已定义的调控元件相比较。研究 发现， 肿瘤 MHBs在开放染色质区域（通过ATAC-seq定义）中显著富集，超过30%的MHBs与开放染色质区域重叠。通过整合分析DNA 平均 甲基化 特征区域 （UMRs、LMRs、PMDs、HMRs），结果揭示MHBs主要位于未甲基化区域（UMRs）和部分甲基化区域（PMDs）（占比约60%），且MHBs在低甲基化区域（LMRs）和部分甲基化区域（PMDs）中表现出癌症类型特异性的富集，而在UMRs和HMRs中则没有显著富集。同时，MHB s 区域在 矫正 平均甲基化水平 的干扰因素后 ，仍显示出更高的染色质开放性 ，此外，肿瘤MHBs还参与远距离染色质互作过程，且具有组织特异性。

在前期的正常组织 MHB s研究中发现 , 当处于同一平均甲基化水平时， MHB 的存在会增强基因的表达水平上调（ F eng et al . 2023 ）。通过肿瘤数据整合分析，发现MHBs与基因表达的相关性不依赖于平均甲基化水平的变化。在食管鳞状细胞癌（ESCC）中，研究团队发现排除DMRs相关基因的影响后，含有MHBs的基因更有可能上调表达。通过转录调控网络分析（CollecTRI数据库），鉴定出52个在ESCC中活性显著改变的调控因子，包括MYC、HIF1A、E2F家族等，这些因子在G2/M检查点和WNT通路中富集。

研究团队进一步利用结直肠癌单细胞甲基化测序（scBS-seq）数据，在单细胞层面上验证MHBs的调控作用。研究结果发现，MHBs在不同类型的恶性细胞中表现出显著的一致性，表明这些MHBs在结肠癌中具有的显著的肿瘤类型特异性。此外，研究团队发现含有MHBs的基因在单细胞中表现出更高的表达水平，进一步在单细胞水平上证实了MHBs在基因表达调控中的作用。

上面结果发现，即使去除了 DMR 的影响，在 ESCC和COAD单细胞中 仍 发现MHB与差异表达基因相关。为验证 该结论在泛 癌 中的 通用性， 该团队 整合TCGA 中与所研究的 肿瘤 类型匹配的 甲基化与转录数据。 结果 显示， 在11种肿瘤中，超 甲基化DMR s主要 关联下调基因，低甲基化DMR富集于上调基因 ，且 与平均甲基化变化无关。 随后，利用方海组自研的 Pi评分 系统 筛选出8852个泛癌MHB 相关 调控基因， 得到 53 个多种肿瘤包含的 核心网络基因， 这些基因 显著富集于MYC、E2F、G2/M通路，其中44 个 基因与多 种肿瘤 总体生存相关。

研究团队分析了MHBs在不同肿瘤中的甲基化一致性，发现肿瘤间存在显著的甲基化异质性。通过比较不同肿瘤样本 MHB 区域内平均甲基化的方差和均值构成的面积（ AUC ）来衡量甲基化的一致性（ AUC 越高，甲基化修饰越紊乱，肿瘤的异质性越强），结果揭示了IDH1突变型胶质瘤的AUC值显著高于野生型，表明基因突变驱动了甲基化异质性。

研究团队利用MHBs作为生物标志物，开发了基于血浆cfDNA的非侵入性癌症检测方法。研究团队通过计算甲基化单体负荷（Methylation Haplotype Load, MHL）和甲基化区块评分（Methylation Block Score, MBS），在多种胃肠道癌症中实现了高灵敏度和特异性的肿瘤检测，性能优于现有的基于CpG位点平均甲基化的检测方法。

综上所述，肿瘤 MHBs 可作 为 一种 多模态的表观遗传调控因子 纽带 ，连接肿瘤异质性、转录调控及液体活检诊断 ，助力肿瘤的复杂生物学特征解析向临床诊断的应用。

上海交通大学博士生张志强 ， 中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究生洪毓阳为本研究的共同第一作者。中国科学院分子细胞卓越中心石建涛研究员和上海交通大学医学院附属 瑞金医院方海研究员 为本文的共同通讯作者。本项目得到中国科学院合肥物质研究院健康与医学技术研究所谷红仓研究员、浙江大学医学院附属杭州市第一人民医院转化医学中心主任张仕蓉、浙江省肿瘤医院特聘研究员朱欣的大力协助。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40849904/

制版人：十一

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