RNA甲基化肿瘤paper

【2020-7 NG】晚期前列腺癌的DNA甲基化landscap

2020-07-25  本文已影响0人  caokai001

参考：The DNA methylation landscape of advanced prostate cancer

大多数高甲基化DMR位于CpG岛中，而大多数低甲基化DMR不位于CpG岛或注释基因中。<br /> image.png

2.甲基化区域分析

很大区域的表观遗传激活和抑制是指在PCa中，由于表观遗传的一致性变化，如组蛋白修饰或DNA甲基化，导致含有多个基因的基因组区域同时被激活或抑制的现象。我们确定了14个候选的远程相互作用，其中两个(7p15.2和16q13)与之前确定的远程表观遗传沉默区域重叠。

部分甲基化区域(PMDs)是甲基化不完全缺失的基因组区域。PMD频率与HMR频率呈中度相关。然而，在良性前列腺、原发性前列腺癌和mCRPC样本中，含有PMDs的基因组比例(21% - 61%)没有显著差异。但与良性前列腺组织相比，原发性前列腺癌和mCRPC中PMDs的甲基化水平较低。在mCRPC中，基因组PMD比例与肿瘤纯度(P = 0.68)、总突变数(P = 0.30)或拷贝数改变百分比没有显著相关性。和乳腺癌中一样，发现PMD区域比基因组非PMD 区域，有更高的突变风险。

接下来，我们确定了DNA甲基化谷(DMVs)，即与激活组蛋白标记H3K4me3或抑制组蛋白标记H3K27me3相关的，区间很宽的低甲基化区域。mCRPC样品中DMVs的数量从几百个到超过20,000个不等。H3K27me3相关的DMVs甲基化倾向于动态变化，多硫复合体在维持DMVs的抑制状态发挥重要作用。DMV频率较低的肿瘤中，DMVs与H3K4me3更加相关，但存在很多DMVs的肿瘤中，H3K4me3和H3K27me3信号的比例几乎相等。

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3.前列腺癌基因启动子差异甲基化

研究表明，高表达基因的通常启动子处于低甲基化，基因body处于高甲基化。启动子区域甲基化与基因表达负相关，而基因body甲基化呈现正相关。我们鉴定了与10 kb以内与基因表达相关的rHMRs，并将这些表达相关的低甲基化区域HMRs命名为eHMRs。负相关的eHMRs(70%)主要位于转录起始位点(TSS)；最强烈的正相关(总数的30%)在基因体的3端，这和之前研究类似。为了研究远端调控元件，我们拓宽了EHMR搜索范围（1Mb）。通过在原发性前列腺肿瘤中H3K27ac峰来确定候选增强子。

在FDR设定为0.05下，10412个基因至少与一个增强子关联，11928个基因至少与一个EHMR关联。研究表明距离TSS距离越近，甲基化与基因表达关系越紧密。

我们发现，与前列腺良性样本相比，mCRPC中雄激素关键应答基因，包括AR、KLK3(编码前列腺特异性抗原)、NKX3-1、FOLH1(编码前列腺特异性膜抗原)、SCHLAP1和PIK3CA，均表现出启动子低甲基化。与前列腺良性样本相比，我们在mCRPC肿瘤中未观察到肿瘤抑制子TP53或RB1的启动子高甲基化。同时，许多先前报道的高甲基化前列腺癌基因(例如，GSTP1)，在mCRPC中也是差异甲基化区域。

许多基因具有PCa特异性表达的特征，但是基因组序列没有改变。为了检测甲基化影响pca特异性基因疾病特异性表达的模型，我们进行了无偏倚分析，比较了所有基因的eHMR相关强度及其表达变异性。与其他基因相比，PCa 特异性表达的基因与甲基化有更强的关联。

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4.新的AR基因调控区域

DNA甲基化可能和体细胞突变协同改变基因表达量。51,708个基因中的15,014个基因表达与局部DNA拷贝数改变、突变或结构变异显著相关(29%)，与10,118个基因的局部甲基化显著相关(19.5%)。在10118个基因的表达与甲基化相关的基因中，4735个基因与甲基化和突变同时相关，5383个基因仅与甲基化相关。甲基化可以提升基因表达预测的模型。部分AR相关的基因，表现出不受DNA改变影响，而受到甲基化影响，比如KLK3 ，NKX3-1。这一发现支持了甲基化在mCRPC中雄激素通路激活中的作用。

我们和其他人之前已经确定了一个远端AR增强子区域，其中DNA拷贝数扩增与AR表达升高相关。我们在AR附近发现了多个eHMRs，包括AR启动子、先前鉴定的AR增强子和AR的上下游位点。尽管AR promoter 在其他组织中都处于低甲基化。但是鉴定出来的eHMR 只是在mCRPC 中低甲基化，在原发性PCa,和良性肿瘤中并未发现。7个eHMR中的5个与H3K27ac或HOXB13，FOXA1，AR或ERG的结合位点共定位。此外，AR和ERG ChIA PET数据表明，许多基因座之间存在长程染色质相互作用，这支持了这些基因座之间的物理相互作用的可能性。在基于eHMR数量预测AR表达的线性模型中，AR表达与低甲基化eHMR基因座数量呈正相关。

在81％的mCRPC样品中会出现AR gene body或上游增强子的拷贝数扩增。扩增的eHMR基因座数AR表达呈正相关。这些数据与一个模型相一致，在这个模型中，雄激素剥夺治疗的选择性压力有利于多个增强因子的大量扩增，从而驱动mCRPC中的AR表达。在非t- scnc， mCRPC样本中，低甲基化区域是局部存在的，eHMR区域低甲基化和拷贝数关系不密切。

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5.甲基化与TMPRSS2、ERG和MYC表达相关

大约一半的前列腺癌存在由ERG编码的致癌转录因子过表达定义。在PCa中，ERG表达量是可以忽略的，除非ERG启动子被融合基因激活。ERG主要的融合基因是ar调控的基因TMPRSS2，融合使TMPRSS2启动子接近ERG基因体，将ERG转化为ar驱动的基因。融合使TMPRSS2启动子接近ERG基因体，将ERG转化为ar驱动的基因。在TMPRSS2 ERG融合阳性肿瘤中，ERG表达水平差异很大，从AR表达水平和突变状态预测ERG表达的线性模型拟合不理想。我们推测，当融合存在时，TMPRSS2启动子或上游区域的甲基化可能影响ERG的表达。我们在TMPRSS2上游识别了与HOXB13、FOXA1、AR或ERG的TFBS共定位的rHMRs。这些位点的低甲基化频率在融合阳性和融合阴性样本中是相似的。然而，仅在融合阳性样本中，这些位点的甲基化与ERG表达呈负相关，这与TFBS甲基化调节下游融合基因表达的模型一致。只有在融合阳性肿瘤中，TMPRSS2上游所有rHMRs的甲基化显著提高了ERG表达量的预测。这些数据表明，TMPRSS2上游调控区域的甲基化导致了该亚型产生。

在38%的mCRPC样本中癌基因MYC扩增。MYC基因拷贝数扩增与MYC表达呈中度相关。据报道，基因PVT1下游的远端增强子通过物理DNA DNA相互作用调节MYC。VCaP ChIA PET数据显示PVT1与MYC之间存在DNA相互作用。我们在MYC启动子和PVT1中观察到与MYC表达相关的rHMRs。这些rHMR改进了预测MYC表达的模型的拟合度，该模型优于仅使用MYC拷贝数的模型。增强子甲基化已被证明调节增强剂的活性，这为这一观察提供了一个合理的解释。总之，这些发现支持了甲基化可能影响关键PCa驱动的活动的模型。

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6.甲基化与前列腺癌的进展

在比较良性前列腺癌和原发性前列腺癌，以及原发性前列腺癌和mCRPC时，我们使用了公开的WGBS数据和局部PCa样本11来识别差异甲基化区域(DMRs)。原发性前列腺癌的甲基化程度明显低于良性前列腺癌。此外，mCRPC样品的甲基化程度明显低于原发性PCa。在良性PCa和原发性PCa的DMRs中，55%与原发性PCa和mCRPC的DMRs重叠。

癌症中的整体低甲基化可能导致基因组不稳定。当比较mCRPC 差异甲基化位点，发现HMR区域有很高的体细胞突变率。DMR内部的突变率比外部高58.5%(每Mb有6.77和4.28个突变)，这表明基因组的某些区域更频繁地受到突变和甲基化的影响。最后，我们测试了差异甲基化是否在整个基因组的调控区域优先发生。当我们检查推定的调控区域（以AR，ERG，FOXA1，HOXB13和H3K27ac ChIP-seq标记）差异甲基化时，与良性前列腺组织相比，HMR更容易在调控区域进行富集。

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讨论

在这里，我们对100个肿瘤样本和10个配对的良性癌旁样本，并对这些样本进行了较深的WGS和RNA-seq，对含WGBS的mCRPC的甲基化进行了全球分析。这些数据确定了一个新的mCRPC的表观遗传亚型，AR的新的基因间调控区域，以及在AR、ERG、MYC和其他重要的PCa驱动因子调控中体细胞和表观改变之间的相互作用。我们还证明了整体甲基化改变可以用来区分 良性前列腺癌、原发性前列腺癌和mCRPC。我们发现体细胞突变和假定的调控区域经常位于差异低甲基化区域。

虽然PCa的基因组和转录组亚型已经被报道，但我们确定了一个新的mCRPC的表观遗传CMP亚型，其特征是在CpGislands, shores，shelves内外都存在高甲基化。我们认为这种现象类似于在其他肿瘤类型中描述的CpG岛甲基化表型(CIMP)。mCRPC CMP亚型富集了TET2、BRAF和IDH1的突变，这些突变在其他癌症类型中与CIMP亚型相关。在癌症基因组图谱中，IDH1突变与CpG岛高甲基化相关。目前的研究不能确定我们观察到的任何突变是否会驱动甲基化变化。先前对TET2和DNMT3B突变的实验研究表明，它们的影响可能因组织类型和基因组区域而不同，需要使用表型研究来阐明CMP表型的机制。mCRPC CMP亚型具有潜在的治疗意义，因为甲基化抑制剂如5-azacytidine和5-aza-2-脱氧胞苷是FDA批准的抗肿瘤药物。体外数据和临床数据表明，高甲基化肿瘤可能受益于这些治疗.

我们的结果强调了癌症相关的低甲基化在mCRPC中致癌驱动基因过表达中的重要性。AR是前列腺癌的主要驱动因子和治疗靶点。近年来的研究发现了AR基因body的扩增和AR上游的增强子. 我们发现，在这些假定的AR增强子区域中，基因间eHMRs与mCRPC中的AR表达量相关。许多假定的增强子区域与转录因子结合位点重叠。这些增强子距离AR基因较远，但该区域呈现复杂的DNA loop，可能使这些位点接近AR启动子。MYC PVT1相互作用是远程顺式增强子和甲基化相互作用的另一个例子.已知在肿瘤中,远端增强子可激活癌基因，这些数据强调了在mCRPC发病机制中,甲基化、转录因子、DNA改变和基因组三维结构之间的复杂相互作用。

因为转移性Pca(mCRPC)和原发性PCa的WGBS样本少,甲基化差异研究受到了限制，未来的工作将整合大量的原发性PCa样本中的WGS、WGBS和RNA-seq数据，这将有助于更稳健地分析晚期疾病期间DNA甲基化变化的方式，并更好地捕获原发性PCa的分子异质性。对其他mCRPC队列的数据整合，将使我们了解稀有的突变对甲基化的影响。

思考

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