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测序技术助力癌症表观组学研究

May 11, 2021 No Comments

 

测序技术助力癌症表观组学研究

 

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。

 

测序技术助力癌症表观组学研究1-1

 

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

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