肿瘤

Nature:结直肠癌的全基因组分析发现PHF19和TBC1D16是致癌的超级增强子

作者:舒雅(编译) 来源:医学论坛网 日期:2022-02-08
导读

         结直肠癌是世界上最常见的癌症之一。虽然结直肠癌患者组织的基因组突变和单核苷酸多态性已经被广泛研究,但其表观基因组状态仍然不清楚。在此,结合基因组和转录组分析,我们使用测序技术(ChIP-Seq)在全基因组水平上对结直肠癌配对患者组织(同一患者的肿瘤和邻近组织)的活性增强子进行了分析。

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摘要】

 

结直肠癌是世界上最常见的癌症之一。虽然结直肠癌患者组织的基因组突变和单核苷酸多态性已经被广泛研究,但其表观基因组状态仍然不清楚。在此,结合基因组和转录组分析,我们使用测序技术(ChIP-Seq)在全基因组水平上对结直肠癌配对患者组织(同一患者的肿瘤和邻近组织)的活性增强子进行了分析。

 

 

我们总共对73对结直肠癌组织进行测序,得到147个H3K27ac 测序、144个RNA-Seq、147个全基因组测序和86个H3K4me3测序技术样本。我们的分析在结直肠癌中发现了5590个增益和1100个丢失的变异增强子位点,以及334个增益和121个丢失的变异超级增强子位点。通过motif分析和核心调控电路分析,预测结直肠癌中的多个关键转录因子。进一步的实验验证了调控PHF19和TBC1D16的超级增强因子在调控结直肠癌肿瘤发生中的作用,并确定KLF3为结直肠癌的一种致癌转录因子。总之,我们的工作为结直肠癌的表观遗传研究提供了重要的表观遗传资源和功能因子。

 
【介绍
 
转录因子与增强子的结合是转录激活的关键步骤之一。近年来,表观基因组学的发展揭示了活性增强子和沉默增强子的新特征,并为转录调控的多个研究领域提供了新的思路。染色质上的表观遗传标记是细胞鉴定的重要标志,与转录因子共同调控转录。组蛋白修饰标记染色质上的增强子,并对其活性至关重要。H3K4me1是启动增强子的标志;H3K27ac是活性增强子,H3K27me3是平衡增强子。虽然最初的发现是在中介子的测序中得出的,但现在在基因间染色质中的H3K27ac被广泛用于识别活性增强子。此外,研究还发现许多基因通常受到多个增强子的调控,并且这些增强子的状态在不同的细胞类型中也有所不同。因此,增强子的活性如何调控信号通路和基因的选择性转录已经成为许多领域的关键问题。
 
早期的研究,假设增强子活性增加是癌症的常见特征之一,这一假设得到了最近在病人和动物模型中的一些研究的支持。然而,目前还不清楚它是所有癌症的共同特征还是只是其中的一部分。有趣的是,许多与表观遗传调控增强子活性相关的基因在癌症中经常发生突变,如赖氨酸甲基转移酶2C/D (KMT2C/D,又称MLL3/4)、E1A结合蛋白p300 (EP300)、CREB结合蛋白(CEBBP)、赖氨酸去甲基酶6A (KDM6A,又称UTX)和赖氨酸脱甲基酶5C (KDM5C)。此外,含有溴域4 (BRD4)的抑制剂——H3K27ac增强子的读卡器,被证明在癌症治疗中是有效的。因此,明确增强子在癌症中的作用及其潜在机制是当务之急。
 
研究表明,控制关键致癌基因(如MYC原癌基因(MYC))转录的增强子可以区分不同类型的癌症。可能是不同的癌细胞被信号网络激活的转录因子差异很大,这导致增强子以不同的方式被激活,以响应不同的基因组突变和上游信号。因此,增强子图谱可以反映不同癌症的特征,并可用于分类。活性增强子的全基因组分析已经在几种癌症中进行,如胰腺癌、鼻咽癌和透明细胞肾癌,通常采用H3K27ac 测序的方法。一项使用TCGA RNA- seq数据的泛癌研究也分析了全球增强子的分布,但由于大部分增强子RNA难以检测,该方法不是很可靠。
 
结直肠癌是世界上最常见的癌症之一。近年来关于异常DNA甲基化的研究已进入诊断领域,表观遗传调控成为CRC的关键调控因子之一。一些研究小组已经研究了CRC中活性增强子的全基因组分布。早期的研究将H3K4me1作为不适合识别功能性活性增强因子的标记。H3K4me1标记的是启动增强子,它并不代表基因组中的功能增强子。最近的一项研究使用H3K27ac 测序技术对正常结肠上皮隐窝、CRC细胞系和四例原发性患者结肠肿瘤进行了全基因组差异分析。Flebbe等人也在少数直肠癌组织中使用H3K27ac,但未分析癌特异性增强因子特征。这些研究使用的临床样本非常少,不能反映出CRC组织的真实临床特征,对加强CRC研究没有很大帮助。
 
在本研究中,为了建立一个全面的CRC活性增强子图谱,我们对CRC组织(带有配对邻近本地组织的肿瘤组织)进行H3K27ac测序分析,并进行相应的基因组和转录组测序。我们发现了数千个与CRC相关的增强子和多个转录因子,并对其中一部分进行了实验验证,这为未来CRC研究提供了重要的表观基因组资源和研究候选基因。
 

【增强子在CRC患者组织中分布的全基因组研究

 

为了建立CRC患者组织活性增强子的全面基因组视图,我们共收集了80对CRC患者的组织(肿瘤及其邻近组织)。组织采集自武汉大学中南医院(中国武汉)接受手术治疗的患者,采集时无特定标准。患者主要来自华中地区,特别是湖北省。我们优化了ChIP-Seq技术协议,并对这些样本进行了H3K27ac 测序技术,以及相应的mRNA和输入DNA测序。部分样本在研究中失败,最终我们从74个CRC组织和73个本地组织获得了高质量的测序数据,其中73对配对(图1A,补充图S1,补充数据1)。我们还对43对组织进行了H3K4me3测序。我们总共产生了524个高质量的测序样本,包括147个H3K27ac, 86个H3K4me3, 144个RNA-Seq和147个基因组测序样本(Sup. Data 2),这为CRC研究提供了重要的表观基因组信息。

图1A CRC患者组织中活性增强子的注释

补充图S1:(A)74例大肠癌患者的临床资料参与我们的研究。(B)曲线图显示CRC患者的临床信息统计。

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26600-5#MOESM3

 

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