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本文由斯坦福医学院遗传学系的科研人员10月30日在线发表于Nature Cancer 杂志。原文衔接请点击文章最后的阅读原文。
早期结直肠癌致癌过程中启动子-增强子连接的整体丧失
和基因表达的重新平衡
文章创新点
该论文引入了一种新的平台“多酶切位点Hi-C (mHi-C)”，用于高分辨率地映射结直肠癌（CRC）进展过程中的染色质互作，特别是启动子-增强子（P-E）连接性的变化。该研究在多个方面具有显著优势和新颖性：
1. 染色质互作映射精度提高
该研究引入了称为“多酶切位点Hi-C（mHi-C）”的精细染色质构象测绘技术，可达到超精细的分辨率（低至100 bp）。这一高分辨率映射使研究人员能够更详细地理解结直肠癌中P-E连接性变化的细节，超过了传统Hi-C方法的能力。
2. 启动子-增强子连接性丧失的发现
与先前主要关注染色质大规模结构变化的研究不同，该研究揭示了在CRC早期阶段中P-E连接性的显著且逐步丧失。这种连接性丧失与基因转录从冗余状态向限速状态的转变相关，作者提出这是癌症基因失调的基础机制。
3. CRC进展的“两阶段模型”
论文提出了一种新的CRC基因调控“两阶段模型”理论。在癌症早期，具有高P-E连接性的基因处于稳定阶段（稳态阶段），随着癌症进展，P-E连接性逐渐减弱，使其成为限速因子，从而导致基因表达失调（激活阶段）。这一模型为理解癌症中染色质结构如何推动基因表达变化提供了新的框架。
4. 癌症特异性预测见解
利用这一两阶段模型，作者证明了正常组织中初始的P-E连接性可以预测癌症中的基因失调倾向。该模型成功预测了CRC中的表达变化，并显示出跨其他癌症的潜在适用性，这为生物标志物的发现和治疗靶向提供了广泛的意义。
5. 治疗靶向的潜在应用
研究发现，在正常组织中具有高P-E连接性的基因对表达扰动更具抗性，但在癌症状态下会变得敏感。这种敏感性的转变提示了一种可能的干预策略，通过靶向P-E连接性来控制癌症细胞中的基因失调，这是之前研究尚未在如此精细层面上提出的。
以上这些特性共同使该论文在CRC进展早期阶段的染色质结构角色理解上提供了更深入的见解，同时为CRC的早期干预开辟了新的可能途径。
文章解析
结直肠癌（CRC）是导致癌症相关死亡的主要原因之一，其中肿瘤的早期恶性转化是疾病发展的关键阶段。此前研究表明染色质的三维结构对基因表达的调控至关重要，因为启动子和增强子的空间邻近性会影响转录过程。然而，目前对染色质构架在CRC癌变早期的变化，尤其是启动子-增强子（P-E）连接性的变化，了解仍然有限。本研究专注于探讨这些早期的结构变化，特别是考虑到P-E互作在基因调控中的作用以及其预测或影响癌症进展的潜力。
技术方法
作者采用了一种称为“多酶切位点Hi-C (mHi-C)”的高分辨率染色质构象映射技术。mHi-C通过多种限制性内切酶对染色质进行多点切割，生成极细碎片，从而实现了高达100 bp分辨率的染色质互作映射。该方法被应用于33例结肠组织样本，涵盖从正常黏膜、增生性息肉到腺癌的发展过程。此外，还结合了RNA测序（RNA-seq）、ATAC-seq（染色质可及性分析）和EM-seq（甲基化分析）对样本进行进一步剖析。借助mHi-C，研究人员能够获得前所未有的染色质结构细节，尤其是在P-E连接性变化的评估方面。
研究结果
P-E连接性的逐步丧失：随着细胞从正常黏膜向增生性息肉再到腺癌转变，研究发现P-E连接性逐步且大范围丧失。在正常组织中具有高P-E连接性的基因最初未必高表达，但在癌症进展中呈现显著的上调趋势。
CRC进展的“两阶段模型”：基于观察结果，作者提出了CRC基因失调的“两阶段模型”：
稳态阶段：在正常黏膜中，高P-E连接性提供了冗余性，稳定了基因表达而不直接提高表达水平。
激活阶段：在癌变过程中，P-E连接性丧失使连接性成为限速因子，从而提高P-E连接性与转录活性的关联性。
P-E连接性的预测能力：研究表明，正常组织中的P-E连接性初始水平可以预测癌症中的基因失调模式，说明基础染色质连接性将某些基因“预设”为易于在癌症中上调或下调的状态。此预测模型在多个癌症类型中得到验证，提示该模型可能适用于更广泛的癌症基因失调研究框架。
对治疗干预的敏感性：在正常细胞中保持高P-E连接性的基因在癌症细胞中连接性丧失后对转录抑制更敏感。通过使用JQ1（一种BET抑制剂）和CRISPR干扰（CRISPRi）靶向特定癌基因启动子，实验显示CRC细胞中的转录抑制效果优于正常细胞。
讨论
研究结果强调了P-E连接性作为基因表达控制的关键层次在CRC早期进展中的作用。两阶段模型为理解染色质构架如何从冗余转变为依赖连接性提供了新见解，这一转变驱动了癌变中的转录失调。研究提出的预测模型利用基础的P-E连接性预测基因表达变化，也表明这些初始染色质状态可能作为CRC风险和治疗反应的生物标志。此外，所观察到的阶段特异性对P-E连接性丧失的敏感性为靶向连接性破坏的癌症治疗提供了新的思路。
研究的局限性
样本量和队列代表性：研究基于较小的样本量，主要使用家族性腺瘤性息肉病（FAP）患者的组织，这可能限制了发现对散发性CRC的适用性。
潜在的癌前变化：即使在FAP患者中未受影响的黏膜也可能存在早期的失调性改变，这可能干扰与真正健康组织的比较。
跨癌种的局限性：尽管模型在《癌症基因组图谱》(TCGA)中的多种癌症类型中得到了验证，但在某些癌症（如肾癌和髓系白血病）中未能一致预测基因失调，提示P-E连接性模型可能具有细胞类型特异性。
连接性丧失的机制洞见有限：尽管研究揭示了P-E连接性的丧失，但并未完全阐明驱动这一变化的分子机制，如特定转录因子或染色质修饰复合物。
本研究深入探讨了染色质构架，特别是P-E连接性在CRC早期进展中的重组，提出的两阶段模型为癌症基因失调研究及可能的干预措施提供了宝贵框架。未来工作应进一步研究驱动连接性丧失的分子机制，并在更大、更多样化的队列中验证这些发现，以充分实现P-E连接性作为癌症治疗靶标和预后工具的潜力。
类器官在本研究中的应用
是的，该研究确实使用了类器官，并在验证研究结果和探索治疗反应方面发挥了重要作用。以下是类器官在本研究中至关重要的原因：
在受控环境中模拟疾病进展：从结直肠组织衍生的类器官允许研究人员创建具有基因组和分子特征的结肠组织微缩模型，保留原始肿瘤或正常组织的特点。这对于研究CRC尤其重要，因为类器官提供了一个更接近体内的三维环境，优于传统的二维细胞培养。在这一设定下，研究人员能够更准确地研究染色质结构及其在正常到新生物状态中的变化。
测试治疗干预：类器官用于测试JQ1（一种BET抑制剂）对CRC细胞中基因表达的影响。通过使用来自正常黏膜和息肉组织的类器官，研究人员展示了在正常状态下具有高P-E连接性的基因在CRC类器官中对JQ1抑制的更高敏感性。这突显了癌细胞中P-E连接性受损后对靶向治疗的选择性脆弱性，验证了在CRC中靶向P-E连接性的治疗潜力。
对患者特异性研究的相关性：由于类器官来源于患者样本，它们保留了患者特异性的基因组和表观遗传特征。这在研究家族性腺瘤性息肉病（FAP）患者时尤为宝贵，因为类器官能够复制与此遗传背景相关的CRC早期阶段。这使得研究人员能够在既具疾病相关性又具有个体变异性的模型中研究染色质构象变化。
增强转化潜力：类器官作为预临床测试环境，比标准细胞系更能准确预测CRC肿瘤对靶向治疗的响应，从而为研究添加了转化价值。类器官模型的研究结果更有可能与患者治疗相关，为基于染色质连接性设计的个性化治疗提供支持。
总结来说，类器官在该研究中起到了关键作用，使研究人员能够复制CRC特异性染色质结构变化，评估与P-E连接性相关的治疗脆弱性，并在更贴近患者生物学的模型中进行预临床测试。基于类器官的研究方法支持了该研究在CRC进展及治疗反应上的发现，并强化了靶向癌症染色质连接性的转化应用。
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