新一代測序技術的進步揭示了基因組DNA對生物過程和疾病狀態的控製，比人們最初想象的要少得多。相反，表觀遺傳調控往往影響著基因表達、譜係決定、細胞間相互作用和治療耐藥性，但與體細胞突變等遺傳驅動因素相比，表觀遺傳驅動因素的定義並不明確。此外，染色質可及性在調節基因表達和細胞特性中至關重要，染可及性的動態改變在癌症的發生、進展和轉移中具有重要作用，目前人們對其了解並不全麵。

        轉座酶可及性染色質測序(ATAC-seq)是一種快速、靈敏的分析方法，被廣泛應用於染色質生物學的研究中。最近，單核ATAC-seq(snATAC-seq)的發展為檢測單細胞表觀基因組提供了更大的分辨率。將snATAC-seq與單核RNA測序(snRNA-seq)結合，可以同時分析同一細胞的表觀基因組和轉錄組，從而直接分析染色質可及性和基因轉錄之間的關係。

        近日，美國聖路易斯華盛頓大學、普林斯頓大學等機構的研究人員合作在Nature上發表了題為“Epigenetic regulation during cancer transitions across 11 tumour types”的文章。研究團隊利用snATAC-seq和snRNA-seq，對包含11種主要癌症類型的225個腫瘤樣本進行分析，構建了一個綜合多組學圖譜;確定了與癌症相關的表觀遺傳驅動因素，並強調了轉錄因子(TF)作為預後標誌物的潛力。

        作為NCI人類腫瘤圖譜網絡(HTAN)的一部分，研究團隊從201名患者中收集了225個樣本，包括158個原發性腫瘤樣本、52個轉移性腫瘤樣本和15個正常鄰近組織(NAT)，共涵蓋11種癌症類型(圖1)。其中，轉移腫瘤轉移樣本分別來自結直腸癌(CRC)、胰腺導管腺癌(PDAC)、皮膚黑色素瘤(SKCM)、子宮內膜癌(UCEC)、卵巢癌(OV)和乳腺癌(BRCA)。研究團隊對上述樣本進行snATAC-seq分析，並對其中206個樣本進行了配對sc/snRNA-seq分析;還生成了195個樣本的全外顯子組測序(WES)數據。結果顯示，研究團隊鑒定出225個樣本的可及染色質區域(ACR)，其中大部分出現在內含子、遠端基因間和啟動子區域。

        為了解正常細胞向癌細胞轉變過程中的遺傳和表觀遺傳變化，研究團隊依據染色質可及性和基因表達將癌細胞和正常細胞相關聯。結果顯示，共確定了56,001個組織和癌細胞特異性染色質區域(DACR)，53%的DACR位於增強子區域，37%位於啟動子區域，這提示其與基因表達變化存在功能相關性;約有75%的DACR與最近基因表達變化方向匹配。研究團隊進一步確定了癌症細胞特異性DACR中富集的標誌通路，包括缺氧通路、TNF信號通路。

        研究團隊對來自8種癌症類型的122個腫瘤樣本中大量惡性細胞核進行測序，並檢測了超50萬個增強子ACR，以預測調節基因表達的增強子ACR(圖2)。結果顯示，對癌症類型和原發組織而言，增強子元件的可及性比啟動子可及性更具特異性;與啟動子可及性相比，增強子可及性更能反映轉錄本的表達，表明其在調控基因表達方麵起著重要作用。

        為預測ACR和基因表達之間的調控關係，研究團隊計算了基於相關性的ACR與基因的關聯。在所有重要關聯中，近一半是基因與EpiMap增強子區域之間的關聯;大多數關聯具有癌症類型特異性。

        為確定可能與正常細胞向原癌細胞轉變有關的ACR-基因關聯，研究團隊比較了DACR和差異表達基因(DEG)。在原發性PDAC腫瘤中觀察到有397個關聯的ACR(其中大多數是增強子)獲得了可及性。ACR與基因關聯的其他顯著例子包括：TF基因KLF6和PPARG，分別與一個和兩個在PDAC癌細胞中獲得可及性的增強子關聯。PDAC的另一個不利預後的標誌物FLNB與5個增強子區域相關，上述結果表明存在廣泛的表觀遺傳調控。

        為更好地了解癌症發展相關的轉錄調控，研究團隊試圖定義影響細胞狀態的TF靶基因，使用SCENIC35在每個癌症隊列中確定TF與其靶基因(即調控子)之間的調控關係(圖3)。結果顯示，TF與其表達一致的靶基因共構成了258個調控子，每個調控子包含20-4,310個靶基因;其中87個調控子對某些癌症類型表現出高度特異性。在這些調控子中，研究團隊觀察到41個調控子具有組織特異性，46個調控子具有癌細胞特異性;一些調控子在惡性細胞中顯示出活性增強。

        通過進一步驗證，研究團隊發現癌細胞特異性調控子的靶基因富集於癌症特異性通路，表明其參與了癌症相關過程;與隨機基因相比，21個TF的靶基因更有可能與含有這些TF結合基序的ACR相結合，這揭示了靶基因表達、ACR可及性和TF活性之間存在聯係。

        研究隊列對來自6種腫瘤類型的52個轉移樣本進行分析，其中有9個病例具有配對的原發-轉移樣本(圖4)。首先比較了4個隊列(SKCM、CRC、PDAC和UCEC)原發腫瘤樣本和轉移樣本的癌細胞，發現了幾個重要的預後標誌物。

        為確定從原發到轉移過程改變活性的TF，研究團隊比較了上述4種癌症中原發癌細胞和轉移癌細胞的 TF motif(基序)可及性評分。在 CRC 中，與原發癌細胞相比，有幾個TF(TWIST1、PBX3)motif在轉移癌細胞具有更高的可及性;在PDAC中，ELF3和GATA6是motif可及性降低最顯著的TF。此外，多個FOX家族的TF在多種癌症中下調最顯著。這些結果表明，在不同癌症的轉移過程中，既有共同的TF，也有特異性TF。

        研究團隊分析了9例具有配對的原發-轉移樣本snATAC-seq數據，並對腫瘤細胞和正常上皮細胞進行軌跡分析，發現所有配對的原發-轉移樣本都遵循一條線性軌跡，從正常細胞逐漸發展到原發細胞再到轉移細胞;樣本的軌跡與已知的上皮細胞-間充質轉化(EMT)特異性基因、與轉移有關的基因(如SNAI1 和PBX3)呈正相關。

        為進一步確定表觀遺傳驅動因素與遺傳驅動因素如何相互作用，研究團隊對176個具有WES數據的腫瘤樣本進行體細胞突變和拷貝數變異(CNV)的遺傳表征(圖5)。與snATAC-seq數據相比，批量WES中TERT啟動子(TERTp)突變的變異等位基因頻率較低，這表明 snATAC-seq 能夠檢測誘導染色質可及性的突變。

        研究團隊通過將癌基因的表達與增強子的可及性相關聯，評估了癌基因的表觀遺傳調控。結果顯示，有30個癌基因的表達與增強子的可及性相關聯，揭示了表觀遺傳和遺傳驅動因素之間的“協作”致癌作用。

        為評估與治療相關的基因和表觀遺傳學改變，研究團隊還確定了可作為藥物靶點的癌症特異性DEG和DACR;並發現了目前尚未應用於臨床的潛在靶點，包括EGFR在透明細胞腎細胞癌 (ccRCC)中的可及性，TOP1在UCEC、多發性骨髓瘤(MM)和ccRCC中的表達，以及FGFR2在膠質母細胞瘤(GBM)、ccRCC和基底樣BRCA中的表達。

        綜上所述，研究團隊構建了來自11種癌症類型225個樣本的大規模單細胞多組學圖譜，揭示了不同的癌症和正常組織細胞類型。該研究加深了人們對正常細胞向癌細胞、從原發癌向轉移性癌轉變時染色質可及性的變化以及染色質可及性、遺傳改變和轉錄模式之間相互作用的理解;並提示染色質可及性的某些變化代表了癌症發生和轉移擴散的關鍵事件/驅動因素，可能是潛在的治療靶點。

        參考文獻：

        Terekhanova NV, Karpova A, Liang WW, et al. Epigenetic regulation during cancer transitions across 11 tumour types. Nature. 2023;623(7986):432-441. doi:10.1038/s41586-023-06682-5