合作文章|多组学解密表观遗传失调引发食管癌
2020.11.23

食管癌位列我国十大恶性肿瘤发病率的第六位,死亡率在恶性肿瘤中排列第四,其中食管鳞状细胞癌(ESCC)是最常见的类型。食管癌的发生与人群的分布、生活习惯、性别等有密切的关系,长期的酗酒、吸烟、食物过硬、过热、进食过快,都有可能引发食管癌。而目前通过基因组学和转录组学已经鉴定出一些ESCC相关的生物标志物,但对于ESCC表观遗传图谱进行单核苷酸分辨率解析的研究仍然很少。


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最近郑州大学附属郑州市中心医院曹巍医学团队与安诺基因合作,在国际权威学术期刊Nature Communications(IF=12.12)发表题为《Multi-faceted epigenetic dysregulation of gene expression promotes esophageal squamous cell carcinoma》的论文。该研究利用全基因组甲基化测序(WGBS)、全基因组测序(WGS)、转录组测序(RNA-Seq)和蛋白质组学实验等多组学方法联合,高分辨率描绘了全基因组范围内表观遗传失调在食管鳞癌发生中的作用。安诺优达为本研究提供了多种测序服务,为解密癌症发病机制提供助力!

技术路线

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研究结果

01

WGBS揭示了ESCC的表观遗传景观

作者对10对ESCC的癌组织和癌旁进行WGBS,鉴定出超过500万个差异甲基化胞嘧啶(DMCs)(图1a),其中低甲基化占97.3%,高甲基化占2.7%(图1b)。
基于全基因组CpG甲基化水平的主成分分析(PCA)能够区分正常组织和肿瘤组织(图1c),表明DNA甲基化的改变表征细胞生理和病理表型的不同生物学特征。ESCC的信息熵较癌旁组织有所增加,这与肿瘤组织内异质性增加的情况一致(图1e)。最后作者将患者样本按甲基化水平方差高低分为两组,发现高方差组总体生存率较低(图1f)。

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图1 食管鳞状细胞癌(ESCC的表观遗传景观和异质性


02

差异甲基化区域(DMRs)与染色质修饰相关

作者在肿瘤和正常组织之间发现了295,295个DMRs(图2a),其中高甲基化区域占1.8%,低甲基化区域占98.2%。肿瘤各基因转录起始位点(TSS)上游2990bp至下游6900 bp之间的平均甲基化水平高于对照样本,其余区域甲基化水平低于对照(图2b)。转录因子(TFs)结合的亲和力会受DNA甲基化变化影响。通过分析发现ESCC中多梳抑制复合物(SUZ12/EZH2)结合位点多分布于高甲基化区域,而低甲基化DMR在异染色质标记的基因组区域富集(图2e),表明癌症特异性基因表达失调可能促进了癌症的进展。

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图2 DMRs特征及其对ESCC基因组功能的影响


03

启动子区DNA甲基化异常介导ESCC转录失调

作者通过分析找到了DMRs和DEGs(通过RNA-Seq得到的显著差异表达基因)中共有的694个基因,这些基因在启动子区域表现出显著的差异性甲基化变化以及基因表达失调(图3a)。根据甲基化和基因表达程度将这些基因分为4个分群(C1-C4,图3b),其中C1和C2启动子甲基化程度与基因表达呈现负相关,而C3和C4中呈现正相关(图3c)。接着作者在694个基因的启动子区域内寻找CTCF结合位点,发现CTCF结合位点在C3中富集。可能是高度甲基化干扰CTCF的结合,破坏了绝缘性染色质结构的形成,从而导致基因激活。

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图3 综合分析WGBS和RNA-Seq发现甲基化介导的多种基因调控

EZH2和SUZ12在C3和C4中富集(图4a),通过进一步分层聚类分析发现EZH2和SUZ12结合位点聚集在一起并在C3基因中富集(图4d),表明C3可能是通过抑制EZH2介导的C3基因启动子区的抑制作用来增加基因表达水平。

图4 不同分群的功能注释(上)和C3前20种TF共结合位点的频率热图(下)


04

lncRNA ESCCAL-1的表观遗传激活是ESCC的致癌驱动因素

通过研究发现ESCCAL-1是C2中显著的候选基因(图5a),其启动子中表现低甲基化,导致lncRNA-ESCCAL-1转录水平增加(图5b、c)。作者通过对73例ESCC的癌组织和癌旁队列进行分析,证实了观察的结果(图5f)。为确定ESCCAL-1的表达上调机制,研究者对其低甲基化启动子区进行了TF结合motif预测,发现了YY1的预测结合位点(图6g);同时通过敲低实验发现YY1缺陷细胞中ESCAL-1的表达降低(图6h),表明YY1转录调控ESCC中的ESCAL-1。

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1.9.jpg图5 低甲基化介导ESCC lncRNA表达上调


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图6 ESCCAL-1在食管鳞癌中的结合情况变化与机制示意图


结 论

曹巍医学团队通过多组学联合的方法对表观遗传景观进行全面的描述,进一步研究了ESCC的甲基化结构和致癌驱动因素。该论文提供了一个研究思路和理论依据,希望能够在ESCC和潜在的其他癌症中发现更多的生物标志物和治疗靶点。


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参考文献

Cao W , Lee H , Wu W , et al. Multi-faceted epigenetic dysregulation of gene expression promotes esophageal squamous cell carcinoma[J]. Nature Communications.