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表(biǎo)观遗传大牛何(hé)川(chuān)一路高歌(gē),继Cell后再登(dēng)Nature,在表观遗(yí)传领域(yù)又取得新突破

source:TIME:2018-11-02 13:21:45分享到(dào):

iNature

美国作家丹尼尔·凯斯在(zài)他最(zuì)著名的作品之一(yī)《献给阿(ā)尔吉侬(nóng)的(de)花束(shù)》中,描(miáo)述了智商(shāng)低(dī)下的查理,通过手术成为了(le)天才(cái)的故事,文中“阿(ā)尔(ěr)吉侬”是(shì)一只(zhī)与查理接受(shòu)了同样手术的小鼠。现在,科学的(de)研究似乎(hū)要将这部科幻小说的故事(shì)变(biàn)成现实。2018年10月31日,Nature刊登了上海科技大(dà)学周涛团队、芝加哥大学何川团队以及美国宾夕法尼亚大学宋红军团队(duì)的学术论文(wén)《m6A facilitates hippocampus-dependentlearning and memory through YTHDF1》,文章论(lùn)述了m6A对学习和记忆的作(zuò)用。iNature盘点发现,在短短的一年,何川在Cell,Mol Cell,Cell Research等杂志上发表了7篇关于(yú)m6A的文章(zhāng),在此,我们特将何川研(yán)究团队(duì)的这(zhè)些文章总结(jié)于此。


何(hé)川(chuān)



1Nature:m6A通(tōng)过(guò)YTHDF 1促进海马依(yī)赖性学习(xí)和(hé)记忆(yì)


N6-甲基腺苷(m6A)是哺乳动物信使RNA上最普遍的内部(bù)RNA修饰,通过m6A特异性结(jié)合(hé)蛋白(bái)调(diào)控修饰转录的目的和功能(néng)。在神经系统中,m6A数(shù)量丰富,功能多样(yàng)。在之前的(de)研究中人们得知,m6A标记(jì)不同生理(lǐ)过程(chéng)中(zhōng)协调降解的mRNAs组,但是(shì),在体内m 6A和mRNA翻(fān)译的相关性仍然是未知的(de)。


本文(wén)中,研究人员发现,通过结合蛋白(bái)YTHDF 1,m6A促进成年小(xiǎo)鼠海(hǎi)马体神经元刺激反(fǎn)应的转录的蛋(dàn)白翻译,从而促进学(xué)习和记忆(yì)。敲除(chú)Ythdf 1基因(yīn)的小鼠显示学习(xí)和记(jì)忆(yì)缺陷以及海(hǎi)马突(tū)触传递(dì)受损。YTHDF 1在成年(nián)Ythdf 1-敲除小鼠海马体(tǐ)中的再(zài)表达,可(kě)以(yǐ)修复行为(wéi)和突触缺陷,而海马体上特异性精确敲除Ythdf 1METTL 3(其编码(mǎ)了m6A甲(jiǎ)基转(zhuǎn)移酶(méi)复合(hé)物中(zhōng)的催化(huà)组分)则(zé)重(chóng)现为海马体缺乏症。海(hǎi)马(mǎ)体上(shàng)mRNAs的YTHDF 1结(jié)合位点和(hé)m6A 结(jié)合位点确定了关键(jiàn)的神经元基因。新生蛋白标记(jì)和海马体神经元系(xì)绳报(bào)告试(shì)验(yàn)表(biǎo)明,YTHDF 1以神经(jīng)元刺激依赖的方式促进蛋白质合成。总(zǒng)之,YTHDF 1有助于翻(fān)译m6A-甲基化神经(jīng)元mRNAs对神经元刺激的反应,这一过(guò)程有助于(yú)学习(xí)和记忆。



高(gāo)表达YTHDF1(AAV-YTHDF 1)和(hé)对(duì)照(zhào)(AAV-对照)的AAV结构示(shì)意图。


研究证明,YTHDF 1的(de)缺失损害了(le)海马体突(tū)触的基础传(chuán)递和LTP。YTHDF 1的存在可以加速新的蛋白质合(hé)成,这是(shì)突触可塑性和记忆形成的(de)长期变化所必需的;Ythdf 1-KO小鼠,刺激依赖的蛋白质合成减弱,导致突(tū)触强(qiáng)化效率较低,达到记忆(yì)形成阈值的可能(néng)性较(jiào)低。m6A对翻译的促进作用可能是通过刺(cì)激诱导,如文中对YTHDF 1的作用,这可能代表RNA甲基化(huà)依赖的翻(fān)译(yì)调节的一个重要方面。


原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0666-1




2Cell Research:A dynamic N6-methyladenosinemethylome regulates intrinsic and acquired resistance to tyrosine kinaseinhibitors


白血病是(shì)一种侵袭性恶(è)性肿瘤,通常与激(jī)活(huó)受体酪氨酸激(jī)酶(RTKs)突变有关,包括BCR / ABL,KIT和FLT3等。许多针对这些突变的酪(lào)氨酸激酶(méi)抑(yì)制剂(jì)(TKIs)已进(jìn)入(rù)临(lín)床,但迅速获得(dé)对(duì)TKIs的抵抗是成功治疗(liáo)白血病的主要(yào)障碍。最常被引用的机制是获得性药物抗性突(tū)变,其损害药(yào)物结合或绕过抑(yì)制的RTK信号传导。然而,这不足以(yǐ)揭示(shì)药物暴露后TKI耐药性的出现相对迅速(sù)的情(qíng)况。在“药物假期”之(zhī)后,抗性表型是可逆的。许多具有抗性的患(huàn)者也(yě)仅表达天然激(jī)酶(例(lì)如,BCR / ABL)或已经激活平行途径,涉及(jí)癌(ái)基(jī)因的过度简化(例如,BCL-2,BCL-6,AXL和MET)。


事实上(shàng),最(zuì)近的研究结果(guǒ)已经(jīng)将获得性TKI耐药(yào)性与肿瘤内的细(xì)胞异质性和表观基因组构(gòu)型的动态(tài)变(biàn)异联(lián)系起(qǐ)来。据推测,异质性肿瘤(liú)细胞群中不(bú)同的表观(guān)遗传模式可(kě)以在细胞命运(yùn)决(jué)定基因的(de)表(biǎo)达中产生多样(yàng)性。通过药物选择可以迅速发(fā)展。然而,TKI抗性中(zhōng)关键表观遗传事件的描述远未完成(chéng)。


N6-甲基腺苷(gān)(m6A)是哺乳动物mRNA最常见的上(shàng)皮转录组修(xiū)饰.14,15,16它由甲基转移酶复合物(如(rú)METTL3-METTL14)安装,可被去甲基(jī)化酶清除(如FTO和ALKBH5)。虽然任何特定m6A残基的确切作(zuò)用尚不清楚(chǔ),但(dàn)21个丰富的(de)证据(jù)支(zhī)持m6A甲基化,一般来说,严(yán)格调(diào)节(jiē)mRNA稳(wěn)定性(xìng),剪接和/或(huò)蛋白质翻译,从而影响基因(yīn)表达。一致地(dì),沉默m6A甲基转移酶(例如,IME4,METTL3的酵母直向同(tóng)源物)或(huò)FTO的(de)敲低改变(biàn)m6A丰度,重(chóng)新建模基因表达谱和/或转录物的(de)可(kě)变剪接模式。


尽(jìn)管最近关于角色的工作m6A在各种生物学过程中的作用,m6A甲基化是否以(yǐ)及如(rú)何(hé)调(diào)节TKI选择下的细胞命运决定仍然未知。我们假设,暴(bào)露(lù)于(yú)TKI后,m6A甲基(jī)化的可逆性质(zhì)使得携(xié)带m6A位(wèi)点的一组增殖/抗凋亡癌(ái)基因上调,从而帮(bāng)助(zhù)细胞亚群逃避TKI介导的杀(shā)伤。为了测试这(zhè)一点,我(wǒ)们模(mó)拟并表征了不同白(bái)血病(bìng)模型中的TKI抗性,并直接在白(bái)血病细胞的转(zhuǎn)录组中定位m6A。我们的研究结果表明,内在和诱导型FTO-m6A轴作为表征白血病细(xì)胞异质(zhì)性的新标记,以及白血病细胞产生TKI抗性表(biǎo)型的广泛防(fáng)御(yù)机制(zhì)。我们的发现(xiàn)确定了(le)针对FTO-m6A轴预防/根(gēn)除获得性TKI耐药性的可行性。


研究人员的研究结果显示在酪(lào)氨酸(suān)激酶抑制剂(TKI)治疗期间开发抗性表型取决于白血(xuè)病(bìng)细(xì)胞(bāo)中FTO过(guò)表达(dá)导(dǎo)致的m6A减少。这种失调的FTO-m6A轴(zhóu)预(yù)先存(cún)在于幼稚细胞群(qún)中(zhōng),这些(xiē)细胞群具有遗(yí)传同质(zhì)性(xìng),并且响应TKI处理是可诱导/可(kě)逆(nì)的。具有mRNAm6A低甲基化(huà)和(hé)FTO上调的细胞在(zài)小鼠中表现出更高(gāo)的TKI耐受性(xìng)和更高的生长速率。通过(guò)FTO失活的m6A甲基化的遗传或(huò)药理学恢复(fù)使得对TKI敏感的(de)抗性细胞(bāo)。


从机制上讲(jiǎng),FTO依赖(lài)性m6A去甲基化(huà)增强了(le)携带m6A的增殖/存活转(zhuǎn)录(lù)物的mRNA稳定性,并(bìng)随后(hòu)导致蛋白(bái)质合成增加。我(wǒ)们的研究结果确定了m6A甲基化在调节细胞命运决定中的新功能,并证明动态m6A甲基化组是可逆TKI耐受状态的(de)额外表(biǎo)观遗传驱动因子,为癌(ái)症中的(de)耐(nài)药性(xìng)提供了机(jī)制典型范例。





3Cell:m6A可以控制(zhì)哺乳动物的皮质(zhì)神(shén)经元的发生(shēng)



由(yóu)Mett13 / Mett14甲基转移酶复合物催(cuī)化产生的(de)N6-甲基腺苷(m6A)是(shì)最普遍(biàn)的mRNA内部修(xiū)饰。 m6A是否调节哺乳动物(wù)的(de)大脑发育是未知的(de)。在这里,我们显示胚胎小鼠脑(nǎo)中Mettl14敲除下,m6A缺失(shī),延长了神经胶质细(xì)胞的细胞周(zhōu)期,并将皮质神经发生延伸到出生后阶段;通过Mettl3敲除,也得到了类似的现象。胚(pēi)胎小鼠皮(pí)层的m6A测序(xù)显示,m6A主要富集在转录因子,神(shén)经发生,细胞周期和神经元分化的mRNA中,m6A标记促进其衰老(lǎo)。进(jìn)一(yī)步的分析发现皮质神经干细胞(bāo)中以前未被认可的转录模式中(zhōng),m6A信(xìn)号(hào)也调节前(qián)脑(nǎo)组织中的(de)人皮质神(shén)经(jīng)发生。小鼠与人类皮(pí)质神经(jīng)发生之(zhī)间的m6A-mRNA全基因组的(de)比较,揭示了人特异(yì)性m6A标记的转(zhuǎn)录本与(yǔ)脑障碍风险基因相关。



亮点


  • m 6 A缺失,导致皮(pí)质神(shén)经原始(shǐ)细胞的细胞周期(qī)延长;

  • 经过比较小鼠及人(rén)类的m 6 A图(tú)谱,呈现(xiàn)出保守及独特性;

  • m 6 A促进(jìn)标(biāo)记的神经发生相关的转录本被延(yán)迟降解(jiě);

  • 转录(lù)本的提前印记对于神(shén)经元的发生是(shì)必需(xū)的(de)。




4Molecular Cell :FTO在(zài)细胞核(hé)和细胞质中介导(dǎo)的差(chà)异(yì)m6A,m6Am和(hé)m1A去甲基化



已(yǐ)经(jīng)提出脂肪量(liàng)和(hé)肥胖相(xiàng)关蛋(dàn)白(bái)(FTO)通过(guò)全基因组关联研(yán)究(GWAS)与人类(lèi)肥胖相(xiàng)关联。已显(xiǎn)示(shì)FTO的(de)遗传变异与食物摄入增加有关,而FTO中(zhōng)的功能(néng)丧失突变导致严重的(de)生长迟缓(huǎn)和CNS缺陷。


由于这些(xiē)有趣的表(biǎo)型,已经广泛致力(lì)于(yú)鉴定底物和理解FTO的生(shēng)物学功能。FTO被鉴定为(wéi)第一种RNA去(qù)甲基化酶,其(qí)在(zài)体(tǐ)外和(hé)细(xì)胞(bāo)中催(cuī)化mRNA中(zhōng)N6-甲基腺苷(m6A)甲基(jī)化的(de)逆转。 m6A是哺乳动物mRNA中最丰富的内部修饰。已知m6Am的m6A部分是(shì)FTO的体外底物,最近的研究(jiū)表明m6Am通(tōng)过阻止DCP2介(jiè)导的脱帽和(hé)microRNA介(jiè)导的mRNA降解来(lái)稳定mRNA。然而,FTO去除m6Am的功能相(xiàng)关性(xìng)尚未得到充分(fèn)探索。


在该项研(yán)究(jiū)组中,何川研究组证实(shí)FTO可(kě)以从(cóng)纯化的(de)多腺苷酸化RNA中有效地去甲基化m6A和m6Am。何川研究组发现细胞核和细胞质中的FTO定位在细胞类型之(zhī)间变化,并(bìng)且FTO在细胞核和细胞质中具有(yǒu)不同的底物库(kù)。何川研究组进一步鉴定了FTO的(de)其(qí)他RNA底物,包括(kuò)tRNA中的N1-甲基(jī)腺苷(m1A),U6 RNA中的m6A,以及小核RNA(snRNA)中的内部和帽(mào)m6Am。该研究提(tí)供了迄今为止FTO介导的(de)RNA去甲基化的最全面的景观。它揭示了由(yóu)FTO介导的核(hé)与细胞质去甲(jiǎ)基化所赋予的先前(qián)未被认可的空间调节,其对靶RNA发挥不(bú)同(tóng)的(de)作用。




5Nature cell biology:m6A mRNA甲基(jī)化是子宫内(nèi)膜癌的(de)致癌机制



N6-甲基腺苷(m6A)是人类最普遍(biàn)的信(xìn)使(shǐ)RNA修饰形式。这种修改是可逆的,其(qí)生物学效应主要是通过“写入”、“橡皮”和“读取(qǔ)”蛋白来介导的。所谓的“写(xiě)入(rù)”复合物,核心部分为METTL3–METTL14 m6A甲基(jī)转移酶,还包括其他(tā)调控(kòng)因子亚(yà)单(dān)元,作用是催化m6mRNA甲基化。至少有两种(zhǒng)橡皮擦酶FTO和(hé)ALKBH 5介导了甲基(jī)化的逆反应。m6甲基化的(de)转录被读取器蛋白质锁识别,该蛋白可以调节mRNA前处理、翻译和(hé)退化。在哺乳(rǔ)动物中,m6A依(yī)赖的mRNA调(diào)节是必(bì)不可少的。m6A甲(jiǎ)基化的缺陷影响(xiǎng)很多的生物过程。特别的是,m6A mRNA甲基化(huà)通过(guò)影响细胞分化过程中mRNA的转(zhuǎn)换而调(diào)节干细胞的(de)自(zì)我更新和分化,并在(zài)胚胎发育过程中对转(zhuǎn)录组的转换起(qǐ)重要作用(yòng)。与这些作用一致,m6A mRNA甲(jiǎ)基化是一种影响(xiǎng)多种癌症发生和发展的途径。


m6mRNA甲基化(huà)对干细胞和癌细胞生长和增(zēng)殖(zhí)有(yǒu)着重(chóng)要影响。不过,m6A甲基化如(rú)何(hé)影响细胞生长,哪(nǎ)些基础途径和机制介导这些变化仍未完全(quán)阐(chǎn)明。本文研究子宫内膜癌中的这个问题,其中测(cè)序研(yán)究(jiū)发(fā)现(xiàn)了(le)m6A甲基(jī)转移酶亚基METTL 14的频(pín)繁突变。研究人员发现与(yǔ)对应(yīng)的(de)正常子(zǐ)宫内膜相比,约有70%的子宫(gōng)内膜肿瘤细胞中m6A甲基化有减少的趋势。这些(xiē)减少的(de)m6A甲基化(huà)可(kě)能是由METTL 14的突变或降低(dī)METTL 3甲基(jī)转移酶的表达。通过METTL 14突变或METTL 3下调,降低m6A mRNA在子宫内膜癌(ái)细胞(bāo)中的水平,可(kě)促进体外(wài)和(hé)活体细胞(bāo)增(zēng)殖和致瘤性。子宫内膜癌患者肿(zhǒng)瘤(liú)和细胞系的m6A -seq特(tè)征(zhēng)显示m6A mRNA甲基化可以通过改(gǎi)变影响AKT信号通路(lù)的关键酶的表达来促进细胞增殖(zhí)。抑制AKT活化可以(yǐ)逆转m6A甲基化减少引起的增殖(zhí)增加。这些结果共同表明了m6A mRNA甲基化为子宫内膜(mó)癌的致癌机(jī)制,m6A甲基化可以作为AKT信号调(diào)节因(yīn)子。

正常(cháng)子宫内膜(左)和子宫内膜癌(右)


这些发(fā)现可能适用于子宫(gōng)内膜(mó)癌以外由AKT信号(hào)增强所导(dǎo)致的(de)其他癌(ái)症。其(qí)他类(lèi)型(xíng)可以通(tōng)过AKT激活的肿(zhǒng)瘤(liú)可以利用异常的RNA甲基(jī)化来获得生存和生长(zhǎng)优势。事实上,也有其他研究(jiū)观(guān)察到(dào)干细胞(bāo)和癌细胞的增(zēng)殖(zhí)随着m6A甲基化的减少(shǎo)而(ér)增(zēng)加。当这篇(piān)论文被审查时(shí),据报道(dào),m6A甲基化会影响AML中(zhōng)AKT的活(huó)性(xìng),以及肾细胞(bāo)癌30T细胞分化。虽(suī)然(rán)本(běn)文的结果表明m6A甲基化促进子(zǐ)宫内膜肿瘤(liú)发生,其(qí)他癌症也(yě)与METTL 3高表(biǎo)达和m6A甲(jiǎ)基化增加有关,也可能涉(shè)及不同的机制。然而,我们(men)的结果表明,通过m6A甲(jiǎ)基化(huà)调(diào)节AKT的活性,可(kě)能(néng)是一种影响一系列其他(tā)生物(wù)过程的一(yī)般生长控制机制(zhì),这将是(shì)未来(lái)探索(suǒ)的一个新方向。




6Molecular Cell:Zc3h13调节核RNA m6A甲基(jī)化和小鼠胚胎(tāi)干(gàn)细胞(bāo)自我更(gèng)新(xīn)



基因表达调控是生命活动的核心事件之一。RNA化学(xué)修饰是基因表达(dá)调控的重要手段。RNA m6A修饰广泛存在于病毒、细菌、单(dān)细胞生物(wù)和酵(jiào)母等(děng)多个物种(zhǒng)中,是(shì)真(zhēn)核生物mRNA上(shàng)发(fā)生最为(wéi)广泛的内部化学修饰。


Zc3h13与WTAP,Virilizer和Hakai互作


RNA m6A修饰(shì)参与调节(jiē)mRNA稳定性、剪接加工、转运(yùn)以及(jí)翻译等一系(xì)列mRNA加(jiā)工代谢(xiè)过程,对mRNA的命运决定发(fā)挥重要作用。越(yuè)来越多的科学证据显示mRNA m6A修饰在细胞分化(huà)、生物个体发(fā)育及癌症疾病(bìng)发(fā)生等一系(xì)列生命过程中具有重要(yào)作用,成为近年来表观转录(lù)组学的(de)研究热点之一。


Zc3h13调节mESCs中的mRNA m6A


哺乳动物细胞中约25%的mRNA有(yǒu)m6A修(xiū)饰,围绕该修饰的甲(jiǎ)基转移酶复合物、去(qù)甲基转移(yí)酶和识(shí)别蛋(dàn)白的(de)研究较多,但是参与(yǔ)该修饰的调(diào)控蛋(dàn)白以及该修饰的位(wèi)点特异性调控机制依然不完全清楚。在该论(lùn)文中,研(yán)究者报道了Zc3h13是一个调控RNA m6A修饰的新成员。研究(jiū)发现,在小鼠胚胎干细胞中抑(yì)制Zc3h13表达导致mRNA m6A水平显著(zhe)降(jiàng)低,且这些下(xià)降的m6A主要发生在mRNA的3’端(duān)非(fēi)编码区域(yù)。


Zc3h13控制WTAP,Virilizer和Hakai的核定位


此前,有报道显示Zc3h13存在于一个进化上(shàng)保(bǎo)守(shǒu)的(de)复合物Zc3h13-WTAP-Virilizer-Hakai之中。研究者(zhě)在探讨Zc3h13对(duì)m6A调控的分子机制(zhì)研究中(zhōng)发(fā)现Zc3h13对m6A的调节是通过控制复(fù)合物成员WTAP/Virilizer/Hakai的细(xì)胞(bāo)定位(wèi)而发(fā)生作(zuò)用的(de)。抑制Zc3h13表(biǎo)达导致复(fù)合物成员WTAP、Virilizer及(jí)Hakai蛋白发生由细胞核(hé)向细(xì)胞(bāo)质的转移,同时伴随甲基转移酶Mettl3和Mettl14蛋白核内组分(fèn)的减少,从(cóng)而(ér)抑制m6A的形成。


Zc3h13丧失损害mESC自我(wǒ)更新


有意思的是,在细胞中敲低WTAP、Virilizer和Hakai,Zc3h13的核内定位并(bìng)不受影响,这提示了Zc3h13在该复合物的细胞定位中(zhōng)具(jù)有独特的作用(yòng);同时,也为揭示(shì)m6A 修饰的特异调控机制提供(gòng)了线索。此(cǐ)外,研究者还发(fā)现(xiàn)敲低Zc3h13会(huì)损害小鼠胚胎干细胞的自我更新潜能并促进细胞的分化(huà),为m6A途(tú)径调节小鼠胚胎干细胞的多潜能性提供了进(jìn)一(yī)步的证据和线索。


文章(zhāng)模型


复旦大学刁建波副研究(jiū)员(yuán)、施扬教授、石雨江教(jiāo)授和芝(zhī)加哥大学何川教授为论文(wén)的共同通讯作者(zhě)。复旦大学生物医学(xué)研究院博士研究生温菁、吕瑞途和博(bó)士后(hòu)马红辉为(wéi)论文的共(gòng)同第(dì)一作者。




7Cell Research:5-羟甲基胞嘧啶在(zài)循环无细(xì)胞DNA中的(de)特(tè)征是人(rén)类(lèi)癌症的诊断生物标志物



DNA修饰(shì)如5-甲基胞嘧(mì)啶(5mC)和5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)是已知影(yǐng)响(xiǎng)哺乳(rǔ)动物基因表达的表观(guān)遗传学标记。鉴于它们在人类(lèi)基因(yīn)组(zǔ)中的广泛分布特性,与基因表(biǎo)达密切相关和高度的化学(xué)稳(wěn)定性,这些DNA表观遗传标记可(kě)以(yǐ)作为癌症诊断的理想生(shēng)物标志物。利用高(gāo)度敏感和选择性的化学标记技术,何川等人在这里收集了最近(jìn)诊断(duàn)患(huàn)有(yǒu)结直(zhí)肠癌,胃癌,胰腺(xiàn)癌,肝癌或甲状腺癌的患者和来自(zì)90个健(jiàn)康个体的正常组(zǔ)织样品,进行对循环无细胞DNA(cfDNA)5hmC分析。


去甲基化过程

 发(fā)现5hmC主要分(fèn)布在转录活性区域,与开(kāi)放的染色质和活性组蛋白(bái)修饰相一致。在cfDNA中(zhōng)鉴(jiàn)定出可靠的(de)癌症相(xiàng)关(guān)的5hmC标签,这是特定癌症类型的特(tè)征。基于(yú)5hmC的循环cfDNA生物(wù)标志物对结肠(cháng)直肠(cháng)癌和胃癌具有(yǒu)高度(dù)预测性,优于常规生物标志物,与(yǔ)来自组织活检的(de)5hmC生物标志物相当。因此,这种新(xīn)的策略可(kě)以导(dǎo)致从血液(yè)样本的(de)分(fèn)析(xī)中发展有效(xiào)的,微创的癌(ái)症诊断和预后方法。


癌细(xì)胞释放DNA到血液


胞嘧啶甲基化(形成5-甲基胞嘧啶(dìng),5mC)是影响基因(yīn)表达的公认的表观遗传学修饰【1,2】。 DNA的5mC重(chóng)构在哺乳动物发育和细胞分化以及癌症发(fā)生,进展和治疗反(fǎn)应过程中广泛(fàn)使用【3,4】。哺乳(rǔ)动物(wù)基因组中的活性去(qù)甲基化是由(yóu)将5mC修饰氧(yǎng)化为5-羟甲(jiǎ)基胞嘧啶(5hmC)【5,6】,以及进一步转(zhuǎn)化为5-甲酰(xiān)基(jī)胞嘧(mì)啶(5fC)和5-羧(suō)基胞(bāo)嘧啶(dìng)(5caC)的TET家族的(de)双加氧(yǎng)酶(méi)完成【7,8,9】。 “中间”5hmC不仅(jǐn)标志(zhì)着(zhe)活跃的去(qù)甲基化,而且还是一个相对稳定的DNA标记(jì),具(jù)有(yǒu)不(bú)同的表观遗(yí)传角色(sè)【2,10-15】。 5hmC在各(gè)种哺(bǔ)乳动(dòng)物细(xì)胞(bāo)和组织中最(zuì)近的全基因组测序图谱支持其(qí)作为基因表达的标记的作用【16-21】;它(tā)在增强子(zǐ),gene body和启动子富(fù)集,5hmC的变化与基因表达水平的变化相关【22,23】。


高通量测序


来自循环(huán)血(xuè)液中不(bú)同组织的(de)无细(xì)胞DNA(cfDNA)的(de)发现对临床(chuáng)具有革命性(xìng)的(de)潜在应(yīng)用【24】。基于液体活检的生物标志(zhì)物和检测工具与(yǔ)现有的诊断和(hé)预后方法相比具有显著的优势,包括微创。因此(cǐ),他们具有成本效益(yì)的潜力,可(kě)以促进更高(gāo)的患(huàn)者依从(cóng)性和临床(chuáng)便利(lì)性,从而实现动态监测【25】。


人类癌症的cfDNA中,检(jiǎn)测(cè)5hmC的(de)生物标志物(wù)


肿瘤相关的cfDNA体(tǐ)细胞(bāo)突变已(yǐ)经显示与肿(zhǒng)瘤组织共享,尽管低的突变(biàn)频率和缺乏(fá)来源(yuán)组织的信息阻碍了检(jiǎn)测(cè)的敏感性。 5mC和5hmC来自液体(tǐ)活组织检查的cfDNA可以作为平行或更有价值(zhí)的生物标志物,用(yòng)于人类(lèi)疾病的非侵入性诊断和预后(hòu),因为(wéi)它们概括了相(xiàng)关(guān)细胞状态中的(de)基因表达变化。如果可以灵敏(mǐn)地检测这(zhè)些胞嘧啶修饰模(mó)式,则可(kě)以鉴定疾病特(tè)异性生物标志(zhì)物,用于早期的肿(zhǒng)瘤(liú)检测,诊(zhěn)断和预后。


5hmC在癌细胞的差异化富集


高通量测序是检测全(quán)基因组胞嘧啶(dìng)修饰模式的理想平台(tái)。全基(jī)因组亚硫酸氢盐测(cè)序或替代方法已应用于(yú)生(shēng)物标志物(wù)研究【26-28】。组(zǔ)织和癌症特异性甲基化位点在跟踪来自循环血的来源组织中(zhōng),表现出(chū)有希望的潜力(lì)。然而,5mC主要作为人类(lèi)基因(yīn)组中高背景水平(píng)的抑制性标记(jì),并且其(qí)用亚硫酸氢盐(yán)处理的测序一直受到广泛的DNA降解。利用羟(qiǎng)甲基的存在(zài),选择性化学标记可应用于使用低水平的DNA以高灵敏度检测5hmC。在这(zhè)里,何川等研究(jiū)组建(jiàn)立了5hmC临床诊(zhěn)断技(jì)术,用于cfDNA 5hmC分析。显(xiǎn)示显示cfDNA的5hmC差异(yì)富(fù)集,是实体瘤的优秀标记(jì)。


胰腺癌5hmC分布状况


癌(ái)症cfDNA的动态在很大程度上还(hái)不清楚。在简(jiǎn)化的模(mó)型情况下,肿瘤组织(zhī)的gDNA被释放到血浆中并且经历(lì)降(jiàng)解,达到与来自正常健康(kāng)组织的背景(jǐng)cfDNA类似的平(píng)衡。基因座(zuò)特异(yì)性(xìng)5hmC修饰似乎是5hmC水平的主要决(jué)定因素,具有组织特异性,然后(hòu)癌症状态增加额外的变化(huà)层。这些组织,以及在较小(xiǎo)的程度上肿瘤组织(zhī)释(shì)放的DNA中(zhōng)的(de)癌症特异性(xìng)信号(hào),略(luè)微改变背景血浆cfDNA的5hmC修饰谱。从肿瘤组织中释放的(de)cfDNA越多(duō),转移越大,给区分肿瘤来源的(de)生物学和(hé)临床(chuáng)变(biàn)化提供了更(gèng)大的能力。因此,整合来自不同(tóng)组织(zhī)类(lèi)型的gDNA的5hmC概况,以实现对癌症生物标(biāo)志物的疾病特(tè)异性的未(wèi)来评估,将是(shì)至关重(chóng)要的。


胃癌中5hmC分布状(zhuàng)况(kuàng)


此外,实体瘤由癌干细胞和癌细胞(bāo)组成,在由白细(xì)胞(bāo),间(jiān)充质细胞和细胞外基质构成的微环境中。肿瘤进(jìn)展启动了以缺氧和(hé)血(xuè)管形成为特征的局部环境的(de)变化梯度。在(zài)生(shēng)长的肿瘤及其周(zhōu)围的细胞内,可能存在广泛的变异(yì)性,使得某些类(lèi)型的细胞倾向于凋亡并将DNA释放到循环中。


血(xuè)浆cfDNA中观察(chá)到癌(ái)症相关5hmC变化的起源


何川等研究组预计在血(xuè)浆cfDNA中观察到(dào)的5hmC的(de)癌(ái)症相关(guān)变化是由肿(zhǒng)瘤组织内或周围的不(bú)同组细胞贡献的。肿瘤相关组(zǔ)织的单细胞或细胞类(lèi)型特异(yì)性5hmC分析和使用(yòng)适当的细(xì)胞类型标记(jì)物,将揭示这(zhè)些修饰的细胞特异(yì)性的程度和分布,并进一步阐明有助于在血浆cfDNA中(zhōng)观察到癌症相关的5hmC变化(huà)。这是这个学科(kē)所要达(dá)到(dào)的(de)意图,同时也(yě)是(shì)未(wèi)来的发展方向。



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