结直肠癌(CRC)是一种高度异质性的疾病，具有基于基因组、DNA甲基化组和转录组特征的特异性亚型。2024年3月6日，北京大学汤富酬及周鑫共同通讯在Cancer Discovery在线发表题为“Single-cell chromatin accessibility analysis reveals the epigenetic basis and signature transcription factors for the molecular subtypes of colorectal cancers”的研究论文，该研究利用单细胞染色质可及性分析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。
北京大学生物医学前沿创新中心、北京大学生命科学学院博士生刘振宇、博士后胡玉琼、前沿交叉学科研究院博士后谢昊伶、生命科学学院博士陈坷璇为该论文的并列第一作者。北京大学生物医学前沿创新中心汤富酬教授和北京大学第三医院普通外科/肿瘤中心周鑫副主任医师为本文的共同通讯作者。
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