胰腺癌转移过程中的多尺度 3D 表观基因组重编程#

文献名称： High-resolution Hi-C maps highlight multiscale 3D epigenome reprogramming during pancreatic cancer metastasis

  • 发表时间：2021.8

  • 发表期刊： journal of hematology and oncology （IF 17.388）

  • 可借鉴点: 运用 Hi-C 等多组学联合技术，绘制胰腺癌领域首篇高分辨率表观遗传图谱，定位关键基因。

文章简介：胰腺癌是一种致命的恶性肿瘤，近年来的发病率稳步上升，由于其远端转移 和早期诊断困难，胰腺癌远端转移患者的 5 年生存率仅为 3%，远低于局部病变患者。 研究表明，表观修饰在转移性胰腺癌进展过程中发生显著变化；且异常的染色质相互作 用有助于肿瘤的发生。但癌症转移的 3D 表观基因组图谱至今没有详细的研究。研究者 对正常胰腺上皮、原发性和转移性胰腺癌的细胞分别进行全基因组染色体构象捕获分析 （in situ Hi-C）、高通量染色质免疫共沉淀（ChIP-seq）, 全基因组开放染色质研究 （ATAC-seq）、和 转录组测序（RNA-seq），绘制了高分辨率的 3D 表观基因组图谱， 并识别了参与胰腺癌转移的关键基因。

文章单位：北京协和医院

影响因子：17.388

研究内容#

  • 材料选择：正常人胰腺上皮细胞(HPNE)、原代胰腺癌细胞(PANC-1)和转移性胰腺癌细胞(Capan- 1)

  • 文库构建： Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq 文库构建

  • 关键词：Hi-C，胰腺癌，转移，表观遗传学，多组学

研究结果#

1. 胰腺癌转移过程中 3D 表观基因组的全局重编程

首先作者将正常人胰腺上皮细胞(HPNE)、原代胰腺癌细胞(PANC-1)和转移性胰 腺癌细胞(Capan- 1)通过 in situ Hi-C 技术，在 5kb 分辨率下观察染色质相互作用，通 过 ATAC-seq 分析染色质可及性、ChIP-seq 识别调节元件。作者发现转移性 Capan- 1 细胞在染色质相互作用、染色质状态、染色质可及性和转录组中与正常 HPNE 和 原代 PANC-1 细胞相比均有显著变化。表明胰腺癌转移过程中存在 3D 表观基因组 重编程。随后作者通过聚类分析发现正常和原发癌细胞中的 B compartment 转变为 转移性癌细胞的 A compartment（1a），且表现出更高水平的基因表达（1b），表明 A/B compartment 的重排可能促进胰腺癌的转移。

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图片 1 胰腺癌转移期间的隔室重排

2. 胰腺癌转移期间的组蛋白修饰变化和接触域分裂

作者基于高分辨率的 Hi-C 矩阵，发现 Capan-1 细胞中接触域大小显著小于 HPNE 和 PANC-1 细胞（2a），且接触域边界数在胰腺癌转移期间急剧增加，表明 胰腺癌转移过程中形成了新的接触域边界。随后作者整合 ChIP-seq 结果，发现富含 H3K36me3 的接触域的基因表达水平高于其他接触域亚组的基因表达水平（2b）， 并且接触域大小最小。而对重编程的支链氨基酸代谢至关重要的 BCAT1 基因位于 富含 H3K36me3 的新接触域中（图 2d），并且 BCAT1 表达与总生存率呈负相关（图 2g）。这些结果表明接触域分裂可能与胰腺癌转移过程中的表观遗传状态改变有关。

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图 2：胰腺癌转移过程中的接触域重编程

3. 胰腺癌转移期间共同接触域的染色质状态发生了变化

上述实验证明特定接触域中的染色质状态改变，作者进一步探究这些改变是否 发生在胰腺癌转移期间的共同接触域中。作者发现 TGFA（一种与胰腺癌侵袭和不 良生存相关的 EGFR 配体）等一些基因在原发癌中是不活跃的共同接触域，而在转 移癌中是活跃的共同接触域，且大多数在转移性癌细胞中上调并在血小板衍生生长 因子受体信号通路中富集（图 3a 和 3b），其高水平的基因表达与较差的存活率显 著相关（3c）。表明共同接触域中的染色质状态改变也可以促进胰腺癌转移。

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图 3：胰腺癌转移过程中染色质状态改变的共同接触域

4. 和转移特异性增强子成环的基因与胰腺癌转移和预后不良有关

作者以 5 kb 分辨率分析了 Hi-C 数据，观察正常、原发和转移癌细胞中的染色 体内 loop 环，发现与原代癌细胞相比，其细胞类型特异性增强子的启动子与 Capan-1特异性增强子成环的大多数基因被上调（图 4a），表达水平明显升高（4b）。作者 通过对显著上调的基因进行 GO 和 KEGG 富集分析，发现其与转移特异性增强子相 连，且在细胞迁移和血管生成方面显著富集，其高表达的基因水平与不良预后显著相 关，表明这些基因与胰腺癌转移有关，且转移过程中环的变化可以上调转移相关基因。

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图 4：和转移特异性增强子相连的基因与胰腺癌转移和预后不良有关

5. Hi-C 将 LIPC 鉴定为胰腺癌的转移促进基因

作者使用高分辨率的 Hi-C 数据，识别到 600 多个具有环重编程并与胰腺癌转移 相关的基因，最终鉴定 3 个与 Capan-1 特异性增强子形成环并在胰腺癌远处转移组 织中上调的关键基因（图 5a），在结合 ChIP-seq 分析后发现 7 个候选增强子位于 LIPC 基因座旁边，导致 Capan-1 中的 LIPC 表达升高，作者随后发现增强子 3 和 4 在 LIPC 基因激活中发挥重要作用。 为了测试 LIPC 对胰腺癌转移的影响，原位异种移植肿瘤模型显示， LIPC 沉 默组的原发肿瘤重量、肝脏重量和具有肝转移的胰腺癌细胞也较低（图 5f-h）。作者 检测正常胰腺组织、原发性/肝转移性胰腺癌组织的临床标本的 LIPC 表达，发现 LIPC在肝转移中的表达明显高于原发性胰腺癌（图 5i）。结果表明环重编程在胰腺癌转移 过程中导致 LIPC 上调，并在临床和功能上证实了 LIPC 在胰腺癌转移中的重要作用。

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图 5：LIPC 促进胰腺癌细胞迁移

6. 转移特异性增强子中涉及的转录因子与启动子相连

上述实验证明转移特异性增强子成环的基因与胰腺癌转移相关，作者接下来进一 步探究哪些 TF 介导启动子和细胞类型特异性增强子之间的环相互作用。通过整合 ATAC-seq 数据识别每个细胞类型特异性增强子和相应启动子内的 NDR（图 6a）， 确定参与增强子-启动子环的原发性胰腺癌特异性增强子中的 NDR 富含 TF 的基 序。KLF5 基序富含转移特异性增强子和相应的启动子（图 6b-c）。先前的研究表明， KLF5 对胰腺癌进展至关重要 。RNA-seq 分析显示 KLF5 在转移性癌细胞中显着上 调（图 6d）。胰腺癌样本中的 KLF5 表达高于正常样本，并且 KLF5 的高表达与预后不良相关（图 6f）。接下来作者通过多组学数据确定了几个在转移性癌细胞中循 环到 KLF5 启动子区域，但在原代癌细胞中找不到的增强子（图 6g，黑色箭头）。 最终转移特异性增强子与几个关键 TF 的启动子形成环结构，以介导额外的增强子 - 启动子环来上调与胰腺癌转移相关的基因。

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图 6：TFs 富含细胞类型特异性的增强子-启动子环

参考文献：#

  1. Siegel RL, Miller KD, Jemal A. Cancer statistics, 2020. CA Cancer J Clin. 2020;70:7–30.

  2. Taberlay PC, Achinger-Kawecka J, Lun AT, Buske FA, Sabir K, Gould CM, Zotenko E,Bert SA, Giles KA, Bauer DC, et al. Three-dimensional disorganiza tion of the cancer genome occurs coincident with long-range genetic and epigenetic alterations. Genome Res. 2016;26:719–31.

  3. Rhie SK, Perez AA, Lay FD, Schreiner S, Shi J, Polin J, Farnham PJ. A high resolution 3D epigenomic map reveals insights into the creation of the prostate cancer transcriptome. Nat Commun. 2019;10:4154.

原文链接：https://jhoonline.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13045-021-01131-0

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