「支棱」起来!解码 DNA 结构,三维基因组学揭开癌症发展谜团
2022.07.21

真核生物的染色质在细胞核内会折叠成复杂的三维结构,染色质有序折叠的层级结构在基因表达和细胞功能调控等细胞过程中有着重要作用。

 

染色体的结构和数量重排,统称为结构变异(Structural variation,SV),在很大程度上贡献了人类基因组的遗传多样性,与癌症遗传学、罕见病和进化遗传学有着高度的相关性。SV 不仅能影响基因的剂量,还能调节基因调控的基本机制。SV 可以改变调控元件的拷贝数,或通过破坏染色质的高阶组织(如拓扑关联结构域-TAD)来修改三维基因组。由于这些位置效应,SV 可以影响远离 SV 断点的基因表达,从而导致疾病发生

 

近期有两篇有关三维基因组学角度揭示胰腺癌发生机制的高分文章发表在国际期刊 Journal of Hematology & Oncology 和 Advanced Science研究分别阐释了胰腺癌转移调控机制,以及结构变异与染色质三维结构重塑参与胰腺癌发生发展的机制安诺优达三维基因组大项目团队参与了这两篇文章的实验和数据分析支持

 

胰腺癌是一种致命的恶性肿瘤,有「癌症之王」的称号,绝大多数来源于胰管上皮的胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma,PDAC)。胰腺癌晚期极易出现转移,确诊后的五年生存率约 11%(American Cancer Society. Cancer Facts & Figures 2022. Atlanta: American Cancer Society;2022)。经典 PDAC 发展模型认为:KRAS、CDKN2A、TP53 和 SMAD4 等特定的遗传基因突变能相继启动和驱动 PDAC 的进展。最新发展的染色质空间构象捕获技术和三代长读长检测染色质结构变异技术,对于多维度地解读 PDAC 发生发展的分子机制十分重要。

 

在癌症基因组中,基因组三维结构一般会有比较大的改变,三维基因组的改变对癌症发生、发展机制或转移的影响一直是目前研究关心的重点。三维基因组不光可以研究染色质的交互、基因与功能元件之间的调控,也可以辅助二代或三代 DNA 测序更有效的鉴定全基因组的大规模结构变异,比如 chromothripsis 在染色体交互上的表现异常明显,更能反映染色体结构变化的复杂性。


此次 Journal of Hematology & Oncology 和 Advanced Science 杂志刊发三维基因组技术解析胰腺癌的成果,凸显了应用表观基因组、三维基因组以及长度长 DNA 测序从调控和染色质结构变异角度综合探索癌症发生发展机制的重要性。现将已发表的两篇研究的内容和发现分享如下:

 

 

文章一:胰腺癌中结构变异与 3D 基因组结构的动态互作

 

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

期刊:Journal of Hematology & Oncology

研究团队:中国医学科学院北京协和医院赵玉沛院士团队

IF:17.388

发表时间:2021.8

材料:正常人胰腺上皮细胞(HPNE)、原代胰腺癌细胞(PANC-1)和转移性胰腺癌细胞(Capan-1)

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


研究思路

 

从三维基因组角度直接分析癌症样本的改变,并对其中涉及到的基因进行公共数据和动物实验验证。

 

研究发现

 

1. 转移性胰腺癌细胞的 Compartment A/B、TAD 和 loop 环发生显著变化;

2. 鉴定了胰腺癌转移关键的候选基因 LIPC 在转移癌中形成 Enhancer-loop,并在胰腺癌转移病灶中显著上调;

3. 公共数据显示与原发性胰腺癌和正常胰腺组织相比,LIPC 在肝转移中的表达更高;

4. 体内体外实验显示,LIPC 可以促进胰腺癌的迁移和侵袭过程。


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图 1:转移特异性增强子环化基因与胰腺癌转移和不良预后相关

 


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图 2:LIPC 位点周围的 Hi-C 交互热图和表观基因组景观;

  

文章二:高分辨率 Hi-C 图谱揭示胰腺癌转移过程中的多尺度 3D 表观基因组重编程

 

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

期刊:Advanced Science

研究团队:国家癌症中心、中国医学科学院肿瘤医院王成锋主任团队

IF:16.806

发表时间:2022.5

材料:正常人胰腺上皮细胞(HPNE)、人胰腺导管上皮的胰腺癌细胞系(PANC1 和 BxPC3)

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

备注:入选当期杂志内封面

 

研究思路

 

系统地从一维线性和三维互作角度展示胰腺癌中的动态景观和两者改变的内在联系。在这个过程中通过关注胰腺癌经典致癌基因发现了染色质碎裂重排的现象,并结合了比较新的增强子劫持肿瘤发生机制进行分析。

 

研究发现

 

1. 系统地描述了胰腺癌中三代技术鉴定到的染色质结构变异图谱;

2. 对胰腺癌中的复杂染色质结构变异与高阶染色质构象变化之间的动态联系进行了系统报道;

3. 通过关注胰腺癌关键驱动基因 CDKN2A 和 SMAD4,发现了涉及的大规模基因组结构重排。通过重构重排后的染色质,提出重排涉及的致癌基因 MIR31HG、MYO5B 的表达可能受 Enhancer Hijacking 模式导致的异常调控。

 

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图 3:胰腺癌中染色质结构变异对三维基因组的影响

 

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图 4:胰腺癌中 SMAD4 删除涉及的染色质碎裂导致的染色质结构重排

 

三维基因组学技术经过十多年发展,已经发展出很多解析三维基因组组织结构的方法,这些方法技术被应用在了从发育生物学到癌症医学的许多领域,使人们能够真正地了解正常组织的染色质在空间上是如何组织的,以及在癌症、疾病等细胞群体中是如何被破坏的。随着单细胞技术的发展,研究不同核拓扑结构的细胞群的基因表达调控,以及不同细胞群的 DNA 结构变异关联的三维基因组异质性变得越来越重要。

 

安诺优达作为业内三维基因组测序服务提供商,2015 年初在国内推出动物群体细胞 Hi-C 服务,随后将人类染色体三维构象解析分辨率提升至 1 Kb 水平。7 年来,安诺 Hi-C 技术不断发展,合作文章发表于 Nature、Cell 等国际高水平期刊,实现与 ATAC-Seq、ChIP-Seq、WGBS、RNA-Seq、三代重测序等多种组学联合分析,互作项目累计影响因子 300+。

 

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