近日，倫敦大學(xué)學(xué)院癌癥研究所Nnennaya Kanu和弗朗西斯·克里克研究所Peter Van Loo團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際遺傳學(xué)Top期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）發(fā)表題為“DNA methylation

cooperates with genomic alterations during non-small cell lung cancer evolution“的重磅科研成果。該研究聚焦于非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）進(jìn)化過程中DNA甲基化與基因組變化的協(xié)同作用機(jī)制。團(tuán)隊(duì)通過整合分析多組學(xué)數(shù)據(jù)（RRBS、ChIP-seq、RNA-seq、WES等），揭示了DNA甲基化如何與基因組變化共同驅(qū)動(dòng)NSCLC進(jìn)化，并通過開發(fā)CAMDAC和MR/MN指標(biāo)兩個(gè)新的分析工具，提出變構(gòu)染色質(zhì)活性轉(zhuǎn)變的新概念，為理解腫瘤進(jìn)化提供了新視角。

標(biāo)題：DNA methylation cooperates with genomic alterations during non-small cell lung

cancer evolution（非小細(xì)胞肺癌進(jìn)化過程中DNA甲基化與基因組改變的協(xié)同驅(qū)動(dòng)機(jī)制）

發(fā)表時(shí)間：2025年9月10日

發(fā)表期刊：NatureGenetics

影響因子：IF29/Q1

技術(shù)平臺(tái)：RRBS、ChIP-seq、RNA-seq、WES等

作者單位：倫敦大學(xué)學(xué)院癌癥研究所、弗朗西斯·克里克研究所、美國(guó)安德森癌癥中心、北京大學(xué)人民醫(yī)院、倫敦瑪麗女王大學(xué)等

DOI：10.1038/s41588-025-02307-x

在幾乎所有癌癥類型中，DNA甲基化都可能發(fā)生異常，但其在腫瘤進(jìn)化過程中與基因組變化的互作尚未確定。為此，研究人員在前瞻性NSCLC多中心癌癥TRACERx研究中對(duì)59名NSCLC患者的217個(gè)腫瘤區(qū)域和匹配的正常組織進(jìn)行了簡(jiǎn)化基因組亞硫酸鹽測(cè)序（Reduced

Representation Bisulfite Sequencing, RRBS），以解析腫瘤甲基化。并開發(fā)了兩個(gè)關(guān)鍵工具：CAMDAC（拷貝數(shù)感知甲基化去卷積分析）和MR/MN指標(biāo)，用于DNA和RNA測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行整合進(jìn)化分析。其中，腫瘤內(nèi)甲基化距離（Intratumoral Methylation Distance）量化了腫瘤內(nèi)DNA甲基化的異質(zhì)性。MR/MN指標(biāo)根據(jù)調(diào)控性（MR）與非調(diào)控性（MN）CpG位點(diǎn)的高甲基化率對(duì)基因進(jìn)行分類，以鑒定反復(fù)功能性高甲基化的驅(qū)動(dòng)基因。研究結(jié)果揭示了與鄰近原癌基因共擴(kuò)增必需基因的DNA甲基化相關(guān)劑量補(bǔ)償現(xiàn)象。研究人員提出了兩種互補(bǔ)機(jī)制，這兩種機(jī)制協(xié)同驅(qū)動(dòng)受拷貝數(shù)改變影響的染色質(zhì)經(jīng)歷類似變構(gòu)活性轉(zhuǎn)換的表觀遺傳變化，而處于正選擇下的高甲基化驅(qū)動(dòng)基因可能為患者的分層治療提供了新的方法。

研究方法

樣本收集與處理：研究團(tuán)隊(duì)收集了59名NSCLC患者的217個(gè)腫瘤區(qū)域及匹配正常組織樣本。

多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用：

RRBS：解析DNA甲基化模式。

ChIP-seq：研究染色質(zhì)狀態(tài)和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。

RNA-seq：分析基因表達(dá)水平。

WES：檢測(cè)基因組中的突變。

數(shù)據(jù)分析工具開發(fā)：

CAMDAC：用于校正正常細(xì)胞污染對(duì)甲基化信號(hào)的影響。

MR/MN指標(biāo)：用于評(píng)估基因是否受DNA甲基化驅(qū)動(dòng)的正選擇。

無(wú)監(jiān)督聚類分析：用于鑒定腫瘤樣本的甲基化模式。

MethSig算法：用于鑒定甲基化驅(qū)動(dòng)的癌癥相關(guān)基因。

結(jié)果圖形

（1）非小細(xì)胞肺癌（NSCLC）的腫瘤細(xì)胞特異性DNA甲基化圖譜

通過對(duì)59名NSCLC患者的217個(gè)腫瘤區(qū)域及匹配正常組織的多區(qū)域簡(jiǎn)化基因組甲基化測(cè)序（RRBS），研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)腫瘤樣本的甲基化模式分為三類，分別對(duì)應(yīng)正常組織、肺腺癌（LUAD）和肺鱗癌（LUSC）。啟動(dòng)子區(qū)的差異甲基化位點(diǎn)（DMPs）富集在分化相關(guān)基因（如SOX1、HOXD3）和抑癌基因（如SOX17、WT1-AS），提示甲基化可能通過沉默分化基因或抑癌基因促進(jìn)腫瘤發(fā)生。此外，研究還發(fā)現(xiàn)腫瘤內(nèi)甲基化距離（ITMD）指標(biāo)，定量分析同一腫瘤不同區(qū)域的甲基化差異，結(jié)果顯示腫瘤的ITMD值比正常組織高25倍，且與拷貝數(shù)變異異質(zhì)性（SCNA-ITH）顯著正相關(guān)，表明甲基化異質(zhì)性與基因組不穩(wěn)定性共同促進(jìn)腫瘤克隆演化。這些發(fā)現(xiàn)揭示了非小細(xì)胞肺癌中腫瘤細(xì)胞特異性的DNA甲基化圖譜，并強(qiáng)調(diào)其在腫瘤進(jìn)化中的重要作用。

圖1：TRACERx肺癌研究中的整體DNA甲基化圖譜。 a.????? 來(lái)自59名患者的217個(gè)腫瘤區(qū)域以及59個(gè)匹配的正常鄰近組織（NAT）樣本中5000個(gè)最易變異CpG位點(diǎn)的無(wú)監(jiān)督聚類。黃色表示高甲基化CpG位點(diǎn)；藍(lán)色表示低甲基化CpG位點(diǎn)。分組對(duì)應(yīng)于患者樣本，聚類對(duì)應(yīng)于CpG位點(diǎn)。 b.???? 展示了差異甲基化位點(diǎn)（DMPs）的數(shù)量、普遍DMPs（DMP存在的區(qū)域比例）的百分比以及DMPs的甲基化狀態(tài)，表明了腫瘤內(nèi)異質(zhì)性（ITH）的程度。樣本根據(jù)組織學(xué)亞型進(jìn)行分層，并根據(jù)采樣的區(qū)域數(shù)量從左到右按升序排列。 c.????? 在腫瘤內(nèi)（intra）和腫瘤間（inter）區(qū)域計(jì)算腫瘤內(nèi)甲基化距離（ITMD）指標(biāo)。 d.???? ITMD評(píng)分與其他異質(zhì)性指標(biāo)的相關(guān)性；突變（SNV-ITH）、拷貝數(shù)變異異質(zhì)性（SCNA-ITH）和轉(zhuǎn)錄本表達(dá)異質(zhì)性（ITED），從左到右分別展示肺腺癌（LUAD，上）和肺鱗癌（LUSC，下）。擬合線表示通過穩(wěn)健線性回歸估計(jì)的平滑趨勢(shì)，陰影區(qū)域表示95%置信區(qū)間。

（2）DNA甲基化對(duì)驅(qū)動(dòng)基因表達(dá)的功能作用

研究團(tuán)隊(duì)通過分析發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化對(duì)驅(qū)動(dòng)基因表達(dá)有顯著影響。在LUAD和LUSC中，約19%的抑癌基因（TSG）存在雙重打擊：同一腫瘤的不同區(qū)域同時(shí)發(fā)生拷貝數(shù)丟失和啟動(dòng)子高甲基化，二者協(xié)同抑制基因表達(dá)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)原癌基因（如KRAS、CCND1）因拷貝數(shù)擴(kuò)增而激活時(shí)，鄰近的必需基因（如RPS3、NOP2）會(huì)通過啟動(dòng)子高甲基化被劑量補(bǔ)償，維持細(xì)胞內(nèi)蛋白復(fù)合物穩(wěn)態(tài)。這種現(xiàn)象被命名為“順式變構(gòu)染色質(zhì)活性轉(zhuǎn)換”（AllChAT），類似于生物化學(xué)中的變構(gòu)效應(yīng)，即局部基因組改變（拷貝數(shù)擴(kuò)增）通過表觀遺傳修飾（甲基化）調(diào)控遠(yuǎn)端基因表達(dá)，確保腫瘤細(xì)胞活性。這些結(jié)果表明DNA甲基化不僅可以通過沉默抑癌基因促進(jìn)腫瘤發(fā)生，還可以通過劑量補(bǔ)償機(jī)制維持腫瘤細(xì)胞穩(wěn)定。

圖2：DNA甲基化對(duì)驅(qū)動(dòng)基因表達(dá)的影響分析。 a. ?分別靶向肺腺癌（LUAD）和肺鱗癌（LUSC）的基因組抑癌基因（TSGs，左側(cè)）和原癌基因（右側(cè)），啟動(dòng)子差異甲基化區(qū)域（DMR）狀態(tài)對(duì)基因表達(dá)的影響。負(fù)值表示在基因啟動(dòng)子高甲基化（黃色）的樣本中表達(dá)降低；正值表示在基因啟動(dòng)子高甲基化（藍(lán)色）時(shí)表達(dá)增加。 b. ?LUAD和LUSC腫瘤中基因組TSGs的拷貝數(shù)丟失（藍(lán)色）或啟動(dòng)子高甲基化（黃色）數(shù)量。并行事件定義為在同一腫瘤的不同區(qū)域發(fā)生啟動(dòng)子高甲基化和拷貝數(shù)丟失（紅色）。雙重打擊事件定義為在同一區(qū)域發(fā)生啟動(dòng)子高甲基化和拷貝數(shù)丟失的腫瘤（綠色）。其他事件組合包括拷貝數(shù)增加、突變或啟動(dòng)子低甲基化及其組合（白色）。餅圖總結(jié)了所有基因組TSGs中每種事件類型比例。 c-d. 曼哈頓圖展示LUAD（c）和LUSC腫瘤（d）中排名靠前的MethSig癌癥基因。 e. ?維恩圖顯示MethSig癌癥基因與經(jīng)典基因組TSGs的重疊。 f.? ?利用多區(qū)域DNA甲基化數(shù)據(jù)展示所有MethSig癌癥基因、隨機(jī)基因集和經(jīng)典TSGs的普遍DNA高甲基化比例（t檢驗(yàn)）。 g.? MethSig癌癥基因、隨機(jī)基因集和經(jīng)典TSGs在腫瘤與正常組織中的表達(dá)關(guān)系（t檢驗(yàn)）。 h.? MethSig癌癥基因、隨機(jī)基因集和經(jīng)典TSGs中同時(shí)出現(xiàn)DNA高甲基化和拷貝數(shù)改變的區(qū)域占比。一致事件包括DNA高甲基化和拷貝數(shù)丟失，或低甲基化與拷貝數(shù)增加和擴(kuò)增（t檢驗(yàn)）。 i.? MethSig癌癥基因和經(jīng)典TSGs中具有普遍/非普遍DNA高甲基化和拷貝數(shù)丟失事件的腫瘤數(shù)量，用于確定這些改變?cè)诜切〖?xì)胞肺癌中共現(xiàn)的相對(duì)時(shí)間順序。

（3）DNA甲基化與拷貝數(shù)改變的差異

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化與拷貝數(shù)改變（CN alterations）之間存在顯著差異。在某些情況下，DNA甲基化和拷貝數(shù)改變可以協(xié)同作用，如在抑癌基因的雙重打擊中，拷貝數(shù)丟失和啟動(dòng)子高甲基化共同抑制基因表達(dá)。但在其他情況下，這兩種機(jī)制可能相互獨(dú)立或存在復(fù)雜的相互作用。例如，在一些基因擴(kuò)增區(qū)域，DNA甲基化可以通過劑量補(bǔ)償機(jī)制調(diào)節(jié)鄰近基因表達(dá)。這種差異表明DNA甲基化和拷貝數(shù)改變?cè)谀[瘤進(jìn)化中既可以協(xié)同作用，也可以獨(dú)立發(fā)揮作用，強(qiáng)調(diào)在研究腫瘤進(jìn)化時(shí)需要綜合考慮這兩種機(jī)制。

圖3：DNA甲基化與拷貝數(shù)（CN）改變的差異性互作。 a.????? 基因在擴(kuò)增與未擴(kuò)增時(shí)啟動(dòng)子甲基化中位數(shù)的差異（y軸）。大于0.2的值表示基因在擴(kuò)增時(shí)DNA甲基化增加。x軸表示基因在擴(kuò)增區(qū)域與未擴(kuò)增區(qū)域之間表達(dá)量比率。正值表示基因表達(dá)與拷貝數(shù)擴(kuò)增成正比。黃色突出顯示基因可能處于DNA甲基化依賴的劑量補(bǔ)償之下，因?yàn)槠浼谆脚c拷貝數(shù)成正比。紅色突出顯示的基因的表達(dá)水平與拷貝數(shù)成正比，但與DNA甲基化不成正比。 b.???? 潛在處于DNA甲基化依賴的劑量補(bǔ)償之下的基因在癌癥功能富集分析。 c.????? 與拷貝數(shù)成正比的擴(kuò)增原癌基因（紅色）的表達(dá)水平，以及位于擴(kuò)增原癌基因20 Mb范圍內(nèi)的樣本之間基因啟動(dòng)子甲基化差異。從Achilles項(xiàng)目數(shù)據(jù)集中提取的必需基因用黃色標(biāo)記。 d.???? 示意圖說明在原癌基因周圍拷貝數(shù)改變與DNA甲基化之間的潛在協(xié)同作用。原癌基因位點(diǎn)的拷貝數(shù)變化可能觸發(fā)局部AllChAT，影響共擴(kuò)增必需基因和“乘客”基因（passenger genes）。 e.????? 對(duì)基因?qū)MTC1作為擴(kuò)增原癌基因KRAS的“乘客”基因進(jìn)行AllChAT驗(yàn)證，在患者腫瘤來(lái)源原代細(xì)胞培養(yǎng)CRUK0977和CRUK0577中，以及來(lái)自患者CRUK0667的非腫瘤組織來(lái)源原代細(xì)胞培養(yǎng)中。位點(diǎn)拷貝數(shù)以數(shù)字形式表示。閉合染色質(zhì)的抑制性組蛋白標(biāo)記H3K27me3（紅色）和開放染色質(zhì)H3K4me3的活性組蛋白標(biāo)記H3K4me3（綠色），并根據(jù)拷貝數(shù)對(duì)這兩種組蛋白標(biāo)記強(qiáng)度進(jìn)行歸一化。非腫瘤PDC作為對(duì)照，對(duì)每個(gè)基因啟動(dòng)子區(qū)域DNA甲基化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

（4）MR/MN指標(biāo)篩選受DNA甲基化選擇的基因

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了MR/MN指標(biāo)，類比基因進(jìn)化中的“dN/dS”（非同義突變與同義突變比值），通過比較基因啟動(dòng)子區(qū)調(diào)控性CpG位點(diǎn)（甲基化后影響基因表達(dá)）與非調(diào)控性CpG位點(diǎn)（甲基化不影響表達(dá)）的甲基化率，評(píng)估基因是否受DNA甲基化驅(qū)動(dòng)的正選擇?；贛R/MN指標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步篩選出3個(gè)LUAD候選基因（CYP4F2、MSC、EIF5A2），其高甲基化狀態(tài)與患者無(wú)病生存期（DFS）顯著縮短相關(guān)（多因素Cox分析P<0.05）。這些基因的甲基化事件通常與經(jīng)典抑癌基因（如STK11、CDKN1B）的突變共現(xiàn)，提示其可作為預(yù)測(cè)腫瘤進(jìn)化軌跡的生物標(biāo)志物。這一結(jié)果表明，MR/MN指標(biāo)是一種有效的工具，可用于鑒定受DNA甲基化選擇的基因，并為預(yù)測(cè)腫瘤進(jìn)化和患者預(yù)后提供了新的生物標(biāo)志物。

圖4：通過將MR/MN應(yīng)用于MethSig來(lái)識(shí)別癌癥相關(guān)破壞事件。 a.????? MR/MN指標(biāo)開發(fā)示意圖。（1）為隊(duì)列中每個(gè)基因啟動(dòng)子中的CpG位點(diǎn)分配差異甲基化位點(diǎn)（DMP）狀態(tài)。（2）根據(jù)CpG的高甲基化是否降低相應(yīng)基因在隊(duì)列中表達(dá)，將每個(gè)DMP表征化為調(diào)控性或非調(diào)控性。（3）根據(jù)每個(gè)基因啟動(dòng)子中調(diào)控性和非調(diào)控性CpG的聚合DNA甲基化狀態(tài)，計(jì)算每個(gè)基因的MR和MN值。 b.???? log–log散點(diǎn)圖顯示LUAD（y軸）和LUSC（x軸）中每個(gè)基因的常見可計(jì)算MR/MN比率。在密度圖上，根據(jù)基因顯示特定亞型的可計(jì)算MR/MN比率。 c.????? 對(duì)MethSig基因進(jìn)行GO功能富集分析，其中MR/MN> 1（上）和MR/MN< 1（下）。 d.???? MR/MN>1的MethSig癌癥基因（CYP4F2、MSC和EIF5A2）的表達(dá)的Kaplan-Meier曲線，與TRACERx隊(duì)列中較短的無(wú)病生存期（DFS）相關(guān)。 e.????? MR/MN>1的MethSig癌癥基因的啟動(dòng)子DNA高甲基化事件與LUAD中經(jīng)典抑癌基因驅(qū)動(dòng)突變共現(xiàn)的比值比（OR）。

（5）受DNA甲基化破壞的癌癥相關(guān)MethSig基因

通過MethSig算法（結(jié)合CAMDAC去卷積數(shù)據(jù)），研究團(tuán)隊(duì)鑒定出99個(gè)LUAD和118個(gè)LUSC的候選甲基化驅(qū)動(dòng)基因（MethSig癌基因）。這些基因多富集于發(fā)育調(diào)控因子（如PAX6、TBX4）和HOX基因家族，且在腫瘤中呈現(xiàn)廣泛甲基化（比經(jīng)典TSG更普遍），提示其可能是腫瘤早期的表觀遺傳開關(guān)，通過沉默分化程序促進(jìn)細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化。這些MethSig基因的發(fā)現(xiàn)不僅為理解腫瘤早期進(jìn)化提供了新的視角，還為開發(fā)新的治療靶點(diǎn)和生物標(biāo)志物提供了潛在的候選基因。

結(jié)論和啟示

本研究通過整合RRBS、ChIP-seq、WES、RNA-seq等多組學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了DNA甲基化與基因組變化在非小細(xì)胞肺癌進(jìn)化中的協(xié)同作用機(jī)制，強(qiáng)調(diào)了表觀遺傳調(diào)控在腫瘤進(jìn)化中的重要作用。研究結(jié)果不僅為理解腫瘤進(jìn)化提供了新的視角，還為開發(fā)新的治療靶點(diǎn)和生物標(biāo)志物提供了理論基礎(chǔ)。未來(lái)研究可以進(jìn)一步探索其他表觀遺傳修飾與基因組變化的相互作用，為肺癌的精準(zhǔn)治療提供新的策略。此外，本研究開發(fā)的CAMDAC和MR/MN指標(biāo)等分析工具，為未來(lái)類似研究提供了新的方法和思路，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

Gimeno-ValienteF, …, Van Loo P, Kanu N. DNA methylation cooperates with genomic alterationsduring non-small cell lung cancer evolution. Nat Genet. 2025 Sep 10. doi:10.1038/s41588-025-02307-x.