Cancer Discov | 北京大学汤富酬/周鑫揭示了结直肠癌分子亚型的表观遗传基础和特征转录因子

结直肠癌形成了一个高度异质性的肿瘤群，分为不同的基因组亚型、表观基因组亚型和最近的转录组亚型。在CRC分类的不同方面，遗传和转录组学的变化得到了更广泛的研究和更好的理解。2015年，基于大量肿瘤样本的转录组谱，建立了CRC的共识分子亚型(CMS)。CRC分为4个CMS 类别(CMS1-4)，分别以免疫浸润、WNT和MYC激活、代谢失调和间质浸润为特征。然而，大量转录组反映了异质肿瘤组织中平均基因的表达，从而模糊了肿瘤微环境中复杂的细胞型组成。

最近，通过分析CRC恶性上皮细胞的单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据，鉴定出内在一致的分子亚型(iCMSs)。iCMS2细胞与CMS2肿瘤相对应，其特征是WNT和MYC活化程度更高，拷贝数变异(CNVs)水平更高，并且在左侧结肠中普遍存在。相反，对应于CMS1和CMS3肿瘤的iCMS3细胞，其特征是MAPK通路活性更高，拷贝数变化更少，并且在右结肠中普遍存在。值得注意的是，在iCMS分类中未观察到CMS4亚型，这表明纤维化与恶性上皮细胞的固有特征是分离的。这强调了单细胞组学技术在揭示肿瘤亚型复杂性方面的巨大潜力。

结直肠癌上皮细胞单细胞ATAC-seq图谱（Credit: Cancer Discovery）

表观遗传调控机制也对肿瘤细胞的表型产生深远的影响。由于DNA甲基化检测与染色质相关检测相比在技术上可行，因此先前对CRCs的表观遗传分类研究主要集中在DNA甲基化上。在某些CpG岛上，CRCs的一个亚群具有异常增加的超甲基化频率，形成了一个独特的亚型，称为CpG岛甲基化表型(CIMP)。基于全基因组高甲基化程度，CRCs可分为CIMP-High、CIMP-Low和CIMP-Negative组。CIMP-High亚型与多种特定的临床和组织病理学特征相关，几乎涵盖了所有BRAF突变病例。最近的一项研究利用测序技术(scATAC-seq)对转座酶可及染色质进行单细胞测定，绘制结直肠癌恶性转化的调控轨迹。然而，该研究主要集中在从健康结肠到癌的表型连续体上，大多数样本来自癌前息肉，因此对恶性肿瘤细胞的表观遗传特征在很大程度上没有探索。

为了绘制CRC的表观遗传图谱，研究人员对29例患者的上皮细胞制作了高质量的单细胞染色质可及性图谱。在腺瘤中获得的异常染色质状态在很大程度上保留在CRC中，这与相反的DNA甲基化变化密切相关。恶性细胞的无监督分析发现了两个表观遗传亚型，与iCMS分类完全匹配，并鉴定出iCMS特异性转录因子，包括iCMS2肿瘤的HNF4A、PPARA和iCMS3肿瘤的FOXA3、MAFK。值得注意的是，亚型特异性TF结合不同的靶基因集，并有助于患者间染色质可及性和RNA表达的相似性和多样性。此外，还鉴定了CpG岛甲基化表型，并确定了CIMP-High亚型的染色质状态特征和TF 调节因子。该研究系统地揭示了著名的iCMS和CIMP分类的CRCs的表观遗传学基础。