表观基因组分析为监测和治疗癌症提供了有前途的新方法。这些分析揭示了什么？在多久的将来，表观组学信息能用于改善患者预后？

就癌症而言，在不改变基因编码序列的情况下影响基因表达的机制——表观遗传学机制——与基因突变一样重要。然而，对这些表观遗传过程的研究非常滞后，因为它们过去很难研究。但这种情况在近年来发生了改变，正如巴黎居里研究所（Institut Curie）的癌症表观遗传学家Céline Vallot指出的那样，新技术使我们能够对表观组学进行深挖。

表观遗传过程通常通过改变染色质的结构来发挥作用：染色质由DNA和组蛋白组成。如果染色质是开放的和可接近的，基因转录就能发生；如果染色质是固缩的，那么基因会被沉默。对DNA或包裹DNA的组蛋白进行化学修饰的酶能改变染色体的构象。大多数表观遗传学研究集中于调节这些酶的分子机制，以及它们如何激活致癌基因或失活肿瘤抑制基因。

染色质的结构和基因表达也受到非编码DNA的影响，而非编码DNA占基因组的98%。值得注意的是，有一些短区域控制着附近基因的表达，人们的注意力正转向影响这些所谓的增强子和绝缘子（即那些调控基因表达的非编码DNA）的突变。加州斯坦福大学（Stanford University）人体动态调节物组中心（Center for Personal Dynamic regulation）主任Howard Chang表示，发生在相邻基因边界处的表观组学突变可能会造成这些基因的异常激活。 Chang的团队正在研究表观基因组，并确定癌症、发育和衰老领域中调节转录的关键机制。

由表观遗传突变产生的异常转录谱不仅可以用来区分不同的癌症亚型，还可以作为一种从血液样本中检测肿瘤的方法。靶向表观遗传学调控因子的药物已经被批准用于骨髓增生异常综合征、T细胞淋巴瘤和多发性骨髓瘤的治疗。

然而，表观遗传疗法尚未充分发挥其潜力。目前的治疗方法受到毒性和脱靶效应的限制。下一代测序技术的进步使研究人员能够比以往任何时候都更详细地绘制表观基因组信息及其对染色质结构的影响。通过研究癌细胞及其与之对抗的免疫细胞的表观遗传景观，研究人员正在开发新的表观遗传靶点和治疗方法。这一知识有助于提高表观遗传疗法的选择性，并根据每个患者的特点提供个性化治疗。

表观遗传学和肿瘤免疫学

斯坦福大学的儿科肿瘤学家Crystal Mackall的团队正在使用ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing，开放染色质定位检测）来揭示调节T细胞衰竭的表观遗传机制。T细胞衰竭是一种当T细胞不断受到抗原和炎症因子刺激时发生的进展性功能障碍状态。如果想提高嵌合抗原受体（CAR） T细胞治疗的持久性，克服T细胞衰竭是至关重要的。

Mackall 提醒，ATAC-seq提供了基因组中最活跃的转录区域的可视化信息。Mackall的团队已经使用ATAC-seq来识别在CAR – T细胞衰竭期间上调的转录因子。

Mackall团队的目标是阻断导致T细胞耗竭的转录途径：转录因子c-Jun的过表达似乎可以防止T细胞衰竭并改善肿瘤控制，为下一代抗衰竭CAR-T治疗铺平了道路。

通过将表观遗传知识与CRISPR等基因编辑技术相结合，Mackall希望看到更多的“表观遗传工程”，这将针对基因组的非编码调控区域。据她解释，她们可以通过表观遗传工程调整它们的表达，防止细胞在特定环境下以特定方式作出反应，而不是完全去除与耗竭相关的基因的表达。她们已经证实了这种方法能起到一定的作用，但是否真正具有临床意义还需进一步探索。

Vallot同意，在将目前的研究结果应用于患者之前，表观遗传学技术还需要进一步的改进。她指出，这项技术已经开始应用于病人样本。Vallot希望，在五年内，它可以用来辅助制定大患者队列的个性化治疗。

新兴的单细胞表观遗传技术

直到最近，大多数研究都依赖于检测大细胞群和组织平均表观遗传状态的技术。尽管它们提供了关于广义机制的宝贵信息，但它们不允许对正常或肿瘤组织中特征不明确的细胞群和罕见细胞类型发生的表观遗传事件进行探索。

了解癌细胞的异质性，包括肿瘤内部和肿瘤之间的异质性，可以阐明决定肿瘤转移潜能和治疗敏感性的特征。目前已报道的单细胞表观遗传学方法有30多种，可用于评估染色质结构或DNA可及性（如scATAC-seq）、染色体的3维结构（scHI-c），以及全基因组组蛋白和DNA修饰（如scChIP-seq、scCUT&Tag）（图“将表观组学技术应用于癌症”）。

发育表观遗传学家Melanie Eckersley-Maslin一直在使用单细胞技术来研究胚胎发育早期阶段的表观遗传学重构和细胞命运决定。她现在加入了澳大利亚墨尔本的彼得·麦卡勒姆癌症中心（Peter MacCallum Cancer Centre），在那里她的团队将应用这些方法来检测癌细胞的命运轨迹。

癌症细胞可以发展出类似于胚胎细胞的基因表达模式，这一点已经得到了很好的证实，但研究人员对其发生的原因和方式了解得非常少。Eckersley-Maslin认为，这就像细胞有中年危机，它们失去了自己的身份，变得更像胚胎细胞，能够获得不同的细胞命运，并适应新的环境。科学家们怀疑，了解这些变化的功能意义有可能揭示新的癌症生物标志物和药物靶点。

居里研究所的研究人员开发了一种包括单细胞染色质免疫沉淀和测序（scChIP-seq）的方法来探索乳腺癌细胞的可塑性及其治疗意义。使用患者来源的乳腺癌异种移植模型，他们发现了一个未治疗的药物敏感细胞子集，它们与他莫西芬耐药细胞具有共同的染色质特征。这项工作证实了一种与稳定转录抑制（H3K27me3）相关的特定染色质标记的丢失，这是耐药性的关键机制。

该研究的主要作者Vallot表示，单细胞方法正在为评估肿瘤内的表观遗传异质性奠定基础，这对于理解癌细胞的可塑性和耐药性的进化过程是很有帮助的。她的研究重点是，随着时间的推移，这些细胞如何改变它们的表观遗传倾向，从而对治疗产生耐药性，以及化疗是否可以与表观遗传调节剂结合来防止化疗耐药性。Vallot指出，时机很关键。需要在化疗开始时提供表观遗传调节剂，以限制癌细胞的可塑性，阻止耐药性的发生。

研究组蛋白修饰和转录因子基因组定位的另一种方法是靶向剪切及转座酶技术（Cleavage Under Targets and Tagmentation, CUT & Tag)。该技术的起始材料是活的透性细胞或分离的细胞核，而不是像ChIP那样使用被甲醛交联和剪切的细胞或组织。使用CUT&Tag，在方案的最后一步提取的染色质位于目标蛋白结合位点的局部附近。由CUT&Tag分离的较短的DNA序列的测序深度较低（300-500万个读取长度）。

专门研究果蝇的遗传学家Kami Ahmad表示，靶向剪切及转座酶技术可以有效地分析单细胞的表观基因组和识别疾病的早期阶段。Ahmad在美国西雅图的Fred Hutchinson癌症研究中心与Steven Henikoff一起开发了这项技术。他的团队正在应用高通量的CUT&Tag研究人类的癌症生物学和果蝇的发育过程。他们最新的工作探索了混合表型急性白血病患者样本中单细胞的表观遗传学特征。结果显示，来自同一病人的细胞间染色质的异质性可能对治疗有重大影响。据Ahmad解释，细胞似乎可以在两种表观遗传状态之间相互转换，而治疗可能会导致表观遗传的改变。

多组学方法

利用表观基因组技术在同一个细胞内描绘多个表观遗传标记，并将它们与转录和遗传信息整合，将是生成全面的细胞图谱和个性化癌症治疗的关键。Eckersley-Maslin指出，通过结合不同的技术，研究人员正在做一些真正富有想象力的事情，并更好地了解癌症发生的情况。

目前许多多组学方法正在开发，以推进癌症研究。这些技术包括T-ATAC-seq，将T细胞受体（T Cell Receptor, TCR）编码基因测序与ATAC-seq结合，以提供关于单个T细胞TCR特异性和表观基因组状态的信息；或高通量ATAC和RNA测序（simultaneous high-throughput ATAC and RNA expression with sequencing），一个高度可扩展的方法，可同时检测染色质可及性和同一细胞内的基因表达。

Chang认为，先进的测序技术在癌症研究中的前景是光明的。多组学和空间基因组法是帮助我们理解和修正癌症基因组的两项主要进步。

原文检索：
Nature Research Custom Media for Illumina. (2021) Cancer Epigenetic Research Accelerated by New Sequencing Technologies.
张洁/编译

基于蛋白质的免疫疗法提供了通用的或者说现成的免疫疗法，与高度个性化的工程化的免疫细胞疗法有所不同。例如，T细胞参与的双特异性抗体CD3 BsAb（CD3 bispecific antibodies）可以触发T细胞上CD3表面受体的信号，同时也可以与肿瘤细胞上的第二靶蛋白结合，从而通过一个抗体分子激活细胞毒性T细胞的同时也消灭了癌细胞。但这种方法存在挑战，包括识别共有的癌症选择性靶点和蛋白质工程来重新引导T细胞。Hsiue等人的研究和Douglass等人的研究描述了可以识别突变新抗原（mutation-associated neoantigen, MANA）的CD3 BsAbs的开发。此外，Paul等人描述了一种利用T细胞受体（T cell receptor, TCR）特异性抗体选择性消除T细胞恶性肿瘤的CD3 BsAb。在未来，这些免疫治疗剂可用于治疗具有特定突变的各种癌症。

肿瘤抗原可分为肿瘤相关抗原（tumor-associated antigen, TAA）或肿瘤特异性抗原（tumor-specific antigen, TSA）。TAA是由癌细胞异常表达的，但并不是其特异性表达的。由于正常组织也表达TAA，尽管水平较低，因此，针对TAA的免疫疗法的靶向肿瘤外毒性是一个问题。相反，TSA只在癌细胞上表达。MANA是TSA的一个亚类，其表达来源于癌基因中常见的突变热点。新一代测序与蛋白质组学和生物信息学工具相结合，加速了MANA的发现，特别是重点关注那些来自癌症驱动基因（突变后给细胞带来选择性生长优势的基因）的MANA，如肿瘤抑制基因TP53（该基因编码p53）和RAS家族的癌基因（KRAS、HRAS和NRAS）。

MANA和其他细胞蛋白一样，由蛋白酶体加工处理，产生的肽段由与抗原处理相关的异源二聚体转运体（transporter associated with antigen processing）（TAP1 – TAP2）复合物运送到内质网（endoplasmic reticulum, ER）腔内，然后被ER氨基肽酶（animopeptidases）剪切成8～10个氨基酸的肽段。这些突变的新肽（neopeptides）被装载到经典的人类白细胞抗原（human leukocyte antigen, HLA）I类分子上，这些分子在细胞表面以新抗原（pHLA）的形式表达MANA。

通过使用silico预测软件（silico prediction software），我们可以寻找与HLA分子结合的新肽。Hsiue和Douglass等人提供了一个发现和量化新抗原的路线图。每个小组都使用计算机建模来预测癌症中常见的突变蛋白（p53^R175H、KRAS^G12V、HRAS^G12V、NRAS^G12V、NRAS^Q61L和HRAS^Q61L）与不同的HLA I类分子的结合。例如：p53^R175H与HLA-A2结合、KRAS^G12V与HLA-A3结合、NRAS^Q61L与HLA-A1结合。为了证实siilico软件的预测，每个团队都使用基于高灵敏度质谱（mass spectrometry, MS）的方法[MANA-选择性反应监测（MANA-selective reaction monitoring, SRM）]来分析HLA结合肽。Hsiue等人估计，人类多发性骨髓瘤细胞系平均每个细胞只有2.4个拷贝的p53^R175H/HLA-A2表达。Douglass等人研究表明，KRAS^G12V中9个和10个的氨基酸长度的肽段都能被HLA-A3处理和表达。但在人肺乳头状腺癌和胰腺导管腺癌细胞系上，只有10个氨基酸长度肽段的KRAS^G12V被HLA-A3表达，每个细胞分别有9个或3个拷贝。虽然适应性T细胞疗法已经被用于靶向突变的肿瘤基因和肿瘤抑制基因，但这些研究结果直接证实MANA pHLA在人类癌细胞上存在，只不过数量非常少。

TCR模拟（TCR-mimic, TCRm）抗体是一类生物制品，可以识别细胞内蛋白质来源的pHLA。之前描述了包括TCRm在内的CD3双特异性抗体，并显示其在体外介导人结直肠腺癌细胞的T细胞毒性，并在小鼠中消除了人源转化的B细胞。Hsiue和Douglass等人使用噬菌体展示筛选未加工的人类抗体文库以发现特异于其感兴趣的MANA pHLA的TCRms抗体。然后，这两个小组通过使用单链二抗（single-chain diabody, scDb）的形式制作CD3 BsAbs，scDb包括MANA pHLA特异性的单链TCRm抗体片段（Fv）与融合的scFv CD3抗体。当针对表达MANA pHLA抗原的癌细胞时，CD3 scFv基团与CD3结合并激活多克隆T细胞反应。

与任何免疫疗法都一样，安全性和毒性问题是一个潜在的问题。创建对新肽中突变的残基有亲和力的scDb可以减少交叉反应的可能性，从而降低脱靶毒性的风险。两项研究中对TCRm结合选择性的表征表明，scDb可以特异性地识别突变肽段，而不是其对应的野生型或相关突变肽。Hsiue等人利用X射线晶体学提供了scDb仅与突变的p53^R175H/HLA-A2结合的结构基础，更广泛地支持利用结构数据来预测scDb的交叉反应性。

Hsiue和Douglass等人描述了具有高灵敏度的scDb可以在体外激活T细胞，以裂解表达少于10个拷贝的新抗原pHLA的人类骨髓瘤细胞和肺乳头状腺癌细胞。此外，Hsiue等人的研究表明，免疫缺陷的小鼠移植人T细胞，然后用H2-scDb处理后，平均每个细胞表达2.4个拷贝p53^R175H/HLA-A2的人多发性骨髓瘤细胞系的生长受到抑制。这些研究为CD3 BsAb提供了在极低密度下通过激活多功能T细胞反应，以对抗肿瘤细胞表达的以前不可用药物干预的细胞内靶点，从而消除癌细胞的第一个证据。

迄今为止，已有100多种不同的CD3 BsAb形式被开发出来用于治疗肿瘤。Hsiue和Douglass等人创建了多种形式的CD3 BsAb，包括使用不同的CD3抗体，以确定scDb为最佳形式。可能是由于scDb结构小、紧凑和刚性的特质，是观察到其抗肿瘤活性比其它双特异性抗体形式强的原因。这特别是当涉及到低水平表达的肿瘤靶点时，如Hsiue和Douglass等人所描述的那样，也许scDb更有效的抗肿瘤活性的报道与建立肿瘤细胞和T细胞之间优化的免疫学突触有关。或者，CD3抗体的亲和力或其结合表位也很重要。无论如何，这些发现将可能促进靶向癌细胞上MANA pHLA和其它TAA和TSA的scDb CD3 BsAb的快速发展。

Paul等人描述了一种通过使用scDb分子来消耗T细胞恶性肿瘤（T细胞白血病和淋巴瘤），同时保护健康T细胞的方法。为了建立概念的证明，作者利用了之前确定的TCR β链可变区域的抗体，TRBV5-5和TRBV12（30个可能的TRBV家族成员中的两个），它们形成了T细胞表达的功能性αβ TCR（图：用于癌症免疫治疗的单链双抗体）。由于T细胞恶性肿瘤是克隆性的，并且在其表面上只表达一个TRBV家族成员，因此靶向一个单一的TRBV类型代表了一个理想的TAA，用于选择性地使用CD3 BsAb进行治疗。Paul等人研究表明，由TRBV5-5或TRBV12抗体组成的scDb并与CD3抗体拴系，可以在小鼠模型中选择性地消除表达TRBV5-5或TRBV12的恶性人T细胞，同时保留了大多数不表达靶向TRBV的健康人T细胞。

用于癌症免疫治疗的单链双抗体

在不同实体瘤中，肿瘤抑制基因和癌基因中共有的突变会导致突变相关的新抗原（mutation-associated neoantigens, MANA）的产生，这种新抗原由癌细胞上的人类白细胞抗原（human leukocyte antigens, MANA pHLA）表达。这些可以被CD3双特异性抗体（例如单链双抗体scDb）靶向识别，该抗体可将T细胞重定位靶向肿瘤细胞。表达肿瘤相关抗原（例如T细胞受体TCR β链可变区5, T cell receptor β-chain variable region 5, TRBV5）的克隆性恶性T细胞也可以被scDbs选择性靶向。

虽然Hsuie、Douglass和Paul等人的研究对推进scDb进入临床很有希望，但在完全实现治疗效果之前，还有其它因素需要考虑。scDb是小分子，在人类和小鼠中迅速的从血液中清除，这将可能使其有必要通过植入泵持续输注scDb药物。将免疫球蛋白G（immunoglobulin G, IgG）可结晶片段（fragment crystallizable, Fc）区域添加到scDb分子中，预计将增加其血浆半衰期。然而，Fc域的加入也会产生一个体积较大的分子，可能会在立体上阻碍表位结合，导致抗肿瘤效力降低。尽管进一步鉴定通常共有的MANA pHLA将扩大CD3 BsAb在实体瘤上的可用靶点，但经典HLA I类的多态性限制了可以用这些药物进行靶向的个体数量。为了扩大人群覆盖面，一个替代方案可能是寻找非经典HLA（即HLA-E和HLA-G）所提呈的MANA来源肽段。与经典HLA不同，HLA-E和HLA-G基本上是单态的，它们的活性在癌细胞中是上调的。HLA-E和HLA-G是否提呈来自MANA的肽，可能值得去研究。

有一些与肿瘤微环境相关的潜在问题可能会限制CD3 BsAb的有效性，包括scDb对血液学恶性肿瘤和实体瘤的效果。例如，在已经观察到有限的T细胞活化的情况下，正在寻求与激动性抗体组合以活化共刺激受体如CD137。血液病和实体瘤都是通过抑制免疫检查点的表达来主动逃避免疫细胞的反应，这将对CD3 BsAb介导的T细胞激活产生负性影响。可能的解决方案包括与免疫检查点阻滞剂联合使用，例如可阻断细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4（cytotoxic T lymphocyte–associated protein 4, CTLA-4）和程序性细胞死亡蛋白1（programmed cell death protein 1, PD-1）的抗体，从而激活T细胞。此外，一些实体瘤缺乏T细胞浸润，正在评估BsAb与溶瘤病毒和癌症疫苗的组合，以促进T细胞向肿瘤的运输。Hsiue、Douglass和Paul等人的研究，提供了一种潜在的途径，可以实现基于蛋白质的即成的免疫疗法，用于治疗具有特定TAA或表达例如MANA突变的癌症。但是，要实现这一宏伟目标，还需要做更多的工作。

原文检索：
Jon Weidanz. (2021) Targeting cancer with bispecific antibodies. Science, 371(6533): 996-997.
郭庭玥/编译

肺癌细胞分裂

Trever Bivona解释了癌症生物学所面临的挑战，以及他对于《npj Precision Oncology》的计划。

虽然癌症治疗技术的进展在过去十年间突飞猛进，但仍然还有很多癌症可以适应性地逃避治疗药物。为了发展更为有效的癌症治疗方式，研究人员力求理解癌症的发展过程以及其与其它细胞在癌症微环境中作用的方式，以便于他们可以为个别患者定制疗法，这称之为“精准医疗”（precision medicine）。Trever Bivona介绍了癌症生物学领域的突出挑战、他的研究计划，以及他作为《npj Precision Oncology》主编的职责，该杂志是与明尼苏达大学（University of Minnesota）Hormel研究所合作的在线开源期刊。

Trever Bivona是《npj Precision Oncology》杂志主编

癌症生物学最大的挑战是什么？

大多数癌症都是用个别药物进行治疗的，这在一定程度上是成功的，但最终癌症会找到绕过这些药物的方法。癌症生物学领域的一个艰巨的挑战是了解癌症如何发展、适应，并在逃避特定药物后重新开始生长。这通常涉及到癌症信号转导途径的附加突变或改变。另一个挑战是理解癌细胞与其周围环境中的细胞之间的相互作用方式。研究要么关注癌细胞的信号转导，要么关注癌症中的T细胞和巨噬细胞。现在的关键是将这些分子和细胞生物学信息整合在一起，将肿瘤理解为一个“生态系统”，这对于开发可能能够抑制癌症，并将其转化为更容易控制的慢性疾病的药物组合至关重要。

研究计划的重点是什么？

研究以癌症的分子和细胞生物学为中心，特别关注癌症中出现问题的信号转导通路。这些途径在癌细胞中被过度活化，或者在某些情况下被过度抑制，因此推动癌细胞增殖、生长、转移和治疗抵抗。了解信号转导通路在正常细胞以及癌细胞中的作用机理，就有可能了解癌症发生、发展的基础，并对这些通路的某些部分进行战略性干预，以开发有效和安全的治疗方法。Bivona还在探索癌细胞如何与肿瘤生态系统中周围的其它细胞类型相互作用和发展，以确定治疗肿瘤的辅助疗法。研究诸如癌症之类的疾病通常可以深入了解事物如何正常运转，并且也能提供基本的生物学发现。

精准医学在癌症治疗中是如何发挥作用的？

精准医学涉及利用对疾病发病机理的深入了解，根据肿瘤特征，为单个患者或一组看似相似的患者量身定制治疗方案。这可能涉及识别导致癌症的DNA中的特定突变，或使用计算方法、数字医疗或人工智能来了解可能使癌症恶性程度更高或更低的特征。精准医疗采取广泛的方法来揭示特定癌症的详细特征，以便更好地管理和护理患者。

《npj Precision Oncology》的范围是什么？

有很多东西可以归入精准肿瘤学的范畴。《npj Precision Oncology》发表的论文的核心宗旨是，它们具有其研究的分子或机理基础，并将其与其它重要的肿瘤特征相结合。例如，除了更传统的分子医学领域外，这还可以更广泛地应用于人工智能（AI）和基于深度学习的方法或流行病学研究。《npj Precision Oncology》除了发布有关该领域的热门话题和重大挑战的评论文章，还发表有关重要研究文章和特定研究领域主题问题的社论，例如癌症免疫疗法或癌症的AI革命。计划在2021年开始发布会议摘要，其中包括会议的简要背景和一些关键发现。

《npj Precision Oncology》的目标是什么？

Biovona希望将该期刊打造成精准肿瘤学领域值得信赖的信息来源，无论是新的分子机制、新的治疗方法，还是基于人工智能的方法，都可能有可取之处。他希望科学界将他们视为提交稿件和阅读精准肿瘤学重点文章的首选论坛。这首先要发表最高水平的科学论文，并建立起作为该领域前沿信息来源的声誉。

Bivona还想让精准肿瘤研究界参与进来，了解他们的需求以及他们对什么样的期刊感兴趣。他表示他们有机会不只是在内部推动自己的构想，还可以让研究领域来塑造期刊。他们希望期刊能够促进全球互动，产生全球影响。《npj Precision Oncology》的编辑团队代表了该领域的领导者和来自美国、法国、英国、沙特阿拉伯、日本和其他一些地区的新星。现在，他们比以往任何时候都更需要一个论坛，能够使其与在世界各地的不同机构走到一起并进行合作。他认为《npj Precision Oncology》就是这样一个重要的动态互动论坛。

原文检索：
nature research custom media. (2020) The future of cancer treatment is precision medicine. 
郭庭玥/编译

Nature增刊“2020自然指数-癌症”重点讲述了旨在提高癌症生存率的艰苦且昂贵的竞赛中出现的成功和挑战。其中并非都是好消息——在癌症死亡病例占全球70％的国家中，新治疗方法仍然遥不可及。

一、自然指数：癌症研究产出不断增加

二、消灭宫颈癌，全球在行动

三、机器人对前列腺癌手术的影响

四、新型免疫疗法显著提高黑色素瘤患者生存率

五、三位顶级癌症科学家

六、自然指数使用指南