【精彩回顾】2018年11月甲基化研究集锦

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Nature Medicine丨多组学研究成果或将实现个体健康动态跟踪

2018年11月5日，斯坦福大学Michael Snyder课题组与四川大学谢丹课题组组成的合作团队在Nature Medicine杂志上发表了题为“Longitudinal Personal DNA Methylome Dynamics Associate with a Chronic Condition”的论文。该团队通过监测一个个体超过36个月的时间，在文章中首次展示了单个个体多时间的甲基化组和转录组数据，并首次揭示了甲基化组数据与慢性疾病相关；除此之外，该团队还基于超深的甲基化测序数据，首次展示了数量空前的等位特异性差异甲基化区域，并发现其可能与等位特异性基因的表达调控相关。以上工作为利用组学数据实现个体健康跟踪提供了范例。该研究监测一位54岁男性志愿者共1124天（监测期间共经历6次病毒感染，2次血糖浓度升高），记录了其各时间点的健康参数，并基于PBMCs获得57组RNA-seq数据，28组MethyIC-seq数据。基于以上数据，团队成员发现由于DNA甲基化组数据来源于同一个个体，故各时间点的DNA甲基化组数据具有较高相关性，在时间维度上DNA甲基化数据的变化相对温和。同时也惊喜地发现，相较于其他时间点，血糖浓度升高阶段及其邻近时间点的DNA甲基化图谱有更高的相似性。

原文出处：Nat Med. 2018 Nov 5. doi: 10.1038/s41591-018-0237-x.

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Nature Communication | 甲基化分析在转移性脑肿瘤分子分类中的应用

2018年11月6日，Nature Communications发表了题为Epigenetic profiling for the molecular classification of metastatic brain tumors的论文，借助表观遗传学中DNA甲基化对脑转移肿瘤进行分类，协助脑转移肿瘤的靶向治疗。
恶性肿瘤脑转移（BM）是成年人中最常见的颅内肿瘤，大量基于人群的研究表明，8-10％的癌症患者发生BM，当包括尸检研究时，这一比例增加至26％， 肺癌、乳腺癌和皮肤黑色素瘤占脑中继发性肿瘤的绝大多数（75-90％）。 BM的治疗方式中，与其他疗法相比，靶向治疗最有其明显的优势。 如人表皮生长因子受体2（HER2）阳性的乳腺癌脑转移瘤（BCBM）可以用抗HER2药物治疗。 因此，准确的诊断对于有效治疗BM患者是必不可少的。BM的诊断目前基于神经成像并且通过病理学检查确定。 在适当的情况下，诊断算法首先使用临床和放射学信息指导的组织学特征来区分BM与原发性脑肿瘤。 然后，为了鉴定起源组织，形态学评估由几种免疫组织化学（IHC）标记补充肺癌BM（LCBM）、黑色素瘤BM（MBM）和乳腺癌脑转移瘤（BCBM）等。 然而，实现准确病理诊断的主要限制是转移性脑肿瘤组织的分化和/或有限可用性通常很差，难以评估完整的IHC标记。基于协同作用的分子分类的出现综合肿瘤扩大和统计模型之间的关系显着改善了癌症患者的诊断，预后和重要的治疗方法。 然而，到目前为止，用于辅助病理诊断和改善转移性脑肿瘤患者的凝血功能的分子分类器已经不合适。DNA甲基化（DNAm）延伸最近被证明是一种强大的分析工具，用于识别来自未知原发部位的癌症的起源，并更好地对患有原发性中枢神经系统（CNS）肿瘤的患者进行分层。

原文出处：Nat Commun. 2018 Nov 6;9(1):4627.doi:10.1038/s41467-018 -06715-y.

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Nature | 敏感检测癌症DNA甲基化的技术有望改进非侵入式癌症检测

2018年11月15日，来自加拿大多伦多大学健康网络（University Health Network）的研究人员在Nature发表了题为Sensitive tumour detection and classification using plasma cell-free DNA methylomes的研究论文，描述了一种可以敏感检测癌症DNA甲基化的技术。虽然该技术还需要通过独立样本验证该研究结果，但是这些发现有望改进非侵入式癌症检测。在这项研究中，Daniel De Carvalho及同事开发了一种分离、检测和描述低水平DNA甲基化的技术，即“游离DNA甲基化免疫共沉淀测序”（cell-free methylated DNA immunoprecipitation and high-throughput sequencing，cfMeDIP-seq）。该技术可以敏感地检测低水平的DNA甲基化（DNA使用量可以低至100ng），而且与其它已有检测手段相比仍不失准确性。该研究称，该检测技术能够区分24名早期胰腺癌患者和健康对照组的cfDNA中的DNA甲基化。此外，对于388个来自7种不同肿瘤（急性髓性白血病、胰腺癌、结肠癌、乳腺癌、肺癌、肾癌和膀胱癌）和健康供体的样本，该检测技术能够鉴定出可以区分不同癌症的特定甲基化谱。对于cfMeDIP-seq技术来说，虽然还需要开展进一步的研究加以验证，但是上述研究突显了cfDNA甲基化谱用以准确检测多种早期癌症的潜力。

原文出处：Nature.2018 Nov;563(7732): 579-583.doi:10.1038/s41586-018-0703-0.

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PNAS | 儿童营养不良，甲基化随之改变

2018年11月27日，弗吉尼亚大学领导的一个国际研究小组对居住在孟加拉国达卡贫民区的儿童的甲基化模式进行了研究。他们发现，发育不良的儿童存在着组蛋白H3赖氨酸4甲基化的重排。随着时间的推移，这些重排似乎影响免疫反应和脂质代谢。这项成果发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。研究人员对之前一项评估发展中国家疫苗效果的研究（PROVIDE）中采集的血液样本开展了分析。这项纵向研究到目前为止已经招募了700名儿童及其母亲。利用染色质沉淀和DNA测序（ChIP-seq），他们研究了组蛋白H3赖氨酸4甲基化（H3K4me3）在儿童基因组中的分布和丰度。正如预期的那样，研究人员指出H3K4me3信号集中在转录起始位点，但随着儿童逐渐长大，这种模式在发育迟缓的儿童中发生了变化，通常到两岁后变得明显。他们发现甲基化从转录起始位点移到其他区域，而不是甲基化的整体减少。这种改变与儿童的HAZ评分相关。相比之下，组蛋白H3的K27乙酰化没有表现出与发育迟缓相关的变化。研究人员确定了5,500多个与儿童HAZ评分相关的差异性H3K4me3峰。与不良健康状况相关的峰有900多个，大多出现在血液或免疫细胞的启动子或增强子。它们特别集中在ETS1和FOXO1转录因子家族成员所识别的motif，这些基因在免疫细胞发育和功能及代谢中起作用。他们还发现，与良好健康状况相关的峰则出现在参与蛋白质、脂质和碳水化合物代谢以及免疫系统功能的基因上。

原文出处：PNAS. 2018 Nov 27;115(48): E11264-E11273.doi:10.1073/pnas.1722125115.

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Nature|朱冰组首次在体内证实DNMT1可作为起始性DNA甲基转移酶，揭示卵子发生过程中DNA甲基化模式建立的机制

2018年11月28日，中国科学院生物物理研究所朱冰研究员课题组在Nature上发表了题为Stella safeguards the oocyte methylome by preventing de novo methylation mediated by DNMT1的研究论文，报道了Stella通过抑制DNMT1介导的起始性DNA甲基化，揭示卵子发生过程中DNA甲基化模式建立的机制。特别值得一提的是，该研究首次在体内证实了DNMT1可以作为起始性DNA甲基化转移酶，打破了教科书里关于DNMT1只是维持性DNA甲基化转移酶的论断。值得重视的是，过去在很长一段时间内，DNMT1都被认为是维持性DNA甲基转移酶，尽管有零星的数据提示DNMT1有可能具有起始性DNA甲基化酶的功能，但是整体上讲证据都不够充分。朱冰组的这项研究是首次系统性的从体内真正意义上证实了DNMT1确实具有起始性DNA甲基化酶的功能，可以预见的是，该成果未来将会逐渐改变学术界关于DNMT1功能的定义，厘清了关于Stella蛋白的生物学功能，最终将会入选经典的表观遗传教材。

原文出处：Nature. 2018 Nov 28. doi: 10.1038/s41586-018-0751-5.

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Science丨汤富酬/乔杰/付卫合作组揭示人类结直肠癌发病新机制

2018年11月30日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、北京未来基因诊断高精尖创新中心（ICG）汤富酬研究组与北医三院付卫研究组、乔杰研究组在Science杂志上发表了题为Single-cell Multi-omics Sequencing and Analyses of Human Colorectal Cancer 的研究论文。该研究在国际上首次从单细胞分辨率、多组学水平深入解析了人类结直肠癌在发生和转移过程中，基因组拷贝数变异、DNA甲基化异常及基因表达改变的特点及相互关系。在该项研究中，研究人员对患有结直肠癌并伴随转移的12例患者的原发位、淋巴结转移位、肝转移位等样品进行了多点取样，对1,800多个细胞进行了高精度的单细胞多组学测序（scTrio-seq2，scTrio-seq的升级版），共产生了7.6 Tb高质量的测序数据。scTrio-seq2的DNA甲基化组部分，平均每个细胞的测序量为4.1 Gb，平均覆盖到全基因组范围的870多万个CpG位点；scTrio-seq2的转录组部分，平均每个细胞测序量为0.9 Gb，平均可覆盖到3700多个基因。该研究通过对10例结直肠癌患者的高精度单细胞多组学测序分析和深度数据挖掘，研究揭示了结直肠癌肿瘤发生和转移过程中基因组DNA甲基化变化的关键特征，提示在肿瘤发生过程中大规模的DNA去甲基化很可能是早期事件，并在后续肿瘤转移过程中保持相对不变，说明相对稳定的全基因组DNA低甲基化是结直肠癌每个肿瘤细胞的基本特征。而同一个患者的同一个亚克隆的肿瘤细胞其转录组可以仍然有强烈的异质性，并且同一个患者的不同亚克隆的肿瘤细胞可以有相同的转录组亚群，说明肿瘤细胞的转录组特征中很大一部分是对肿瘤微环境的动态响应而不完全是由其遗传谱系决定的。该研究既发现了结直肠癌细胞基因组DNA甲基化层面强烈的患者个体间差异以及个体内的肿瘤细胞异质性等个性特征，同时也发现了不同患者个体之间、不同肿瘤部位之间肿瘤细胞DNA甲基化改变的共性规律，对于基于干预DNA甲基化的肿瘤治疗方案给出了新的启示。

原文出处：Science.2018 Nov 30;362(6418):1060-1063.doi: 10.1126/science.aao3791.

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