肺癌基因检测结果与靶向相关（三维基因组工具揭示肺癌中染色质参与癌基因表达激活的内在机制）

肺癌基因检测结果与靶向相关（三维基因组工具揭示肺癌中染色质参与癌基因表达激活的内在机制）该研究还发现SCLC的区室结构发生了全基因组范围内的变化，约有25%~30%的基因组区域发生了从AB区室翻转（图4A），其中B到A区室翻转的基因组区域中基因表达倾向于升高，而A到B区室翻转的基因组区域基因表达倾向于降低（图4B）。有趣的是，从总体上看，发生区室翻转的染色质区域中也富集异常改变的TAD边界（图4C），且两者倾向于在变化方向上一致（图4D）：B到A区室翻转的区域中富集SCLC新出现或强度增加的TAD边界，而A到B区室翻转的区域中富集SCLC中消失或强度减弱的TAD边界。通过结合转录组数据分析发现，这种不同尺度染色质空间结构的一致变化可能有助于相互加强其对基因表达调控的作用：发生区室与TAD边界一致性改变的基因组区域中，基因表达变化程度最高，单一结构特征改变的区域基因表达变化程度较低。因此，不同尺度的染色质空间结构在SCLC中的一致性改变，可能协同推动SCLC中基因表达异常（图4

小细胞肺癌（SCLC）属于最具侵袭性的肿瘤之一，且在临床上缺少针对性的治疗靶点。理解SCLC中肿瘤驱动基因的异常调控基础有助于揭示SCLC的潜在发生机制，寻找有效治疗靶点。解读肿瘤基因调控的关键在于解析基因组“暗物质”——非编码区的功能。近年来，以Hi-C为代表的全基因组染色质空间构象捕获技术不断发展，为研究基因组非编码区的空间结构和功能提供了关键实验手段。相关研究发现，间期细胞核中染色质在不同尺度下形成如A/B区室（A/B compartment）、拓扑相关结构域（Topologically associating domain TAD）及染色质环（chromatin loop）等多级结构，并与基因表达特征密切相关。近期研究报道了肿瘤中TAD边界改变产生“增强子劫持”，导致肿瘤中基因异常转录。但在多数肿瘤类型中，染色质空间结构改变在多大程度影响癌基因表达，至今仍无明确结论。同样，SCLC中染色质空间结构是否以及如何参与癌基因异常调控亦不明确。

近日，北京协和医院梁智勇团队与军事医学研究院伯晓晨团队合作，在Computational and Structural Biotechnology Journal发表文章Synergistic alterations in the multilevel chromatin structure anchor dysregulated genes in small cell lung cancer。该研究对两种SCLC细胞系（H209和DMS153）和一种肺成纤维细胞系MRC5进行了Hi-C和RNA-seq测序，获得了高质量的SCLC肿瘤-正常细胞对照组学图谱。

为了探究SCLC中染色质空间结构异常变化是否与癌基因异常表达有关，该研究构建了TARGET计算框架，该框架基于染色质空间结构和转录组数据，识别肿瘤中发生特异性改变的拓扑相关结构域（TAD）边界，并预测肿瘤中受TAD边界异常改变调控的异常表达候选基因（candidate genes）（图1）。

图1. TARGET计算框架工作流程概览

通过TARGET框架，该研究在H209和DMS153两种SCLC细胞系中分别鉴定了1297 和1628个发生显著结构改变的TAD边界，以及209和153个候选基因预测结果。其中，TARGET不仅识别肿瘤中完全消失或新出现的TAD边界（图2上半部分），也能够识别肿瘤和正常细胞中均存在，但边界强度发生明显改变的TAD边界（图2下半部分）。

图2. SCLC中发生结构异常改变的TAD边界平均热图

为了理解SCLC染色质空间结构改变对基因组功能的影响，该研究分析了SCLC中TAD边界改变对基因表达的影响程度和范围，发现肿瘤异常表达基因在基因组位置上富集于异常改变的TAD边界附近，这些异常改变TAD边界附近包含了近30%左右的SCLC异常表达基因有关。另外，距离发生异常改变的TAD边界越远，或基因表达变化程度越小，在异常改变TAD边界处富集程度越低。特别地，对于SCLC中表达变化程度最大的一部分基因（log2表达差异>6）在H209细胞系的异常改变TAD边界处出现将近6倍的富集（图3）。以上结果说明SCLC中TAD边界改变主要影响其附近的基因表达，且与基因表达变化较明显的基因异常调控关系密切。

图3. SCLC异常表达基因在异常改变TAD边界附近的富集情况

该研究还发现SCLC的区室结构发生了全基因组范围内的变化，约有25%~30%的基因组区域发生了从AB区室翻转（图4A），其中B到A区室翻转的基因组区域中基因表达倾向于升高，而A到B区室翻转的基因组区域基因表达倾向于降低（图4B）。有趣的是，从总体上看，发生区室翻转的染色质区域中也富集异常改变的TAD边界（图4C），且两者倾向于在变化方向上一致（图4D）：B到A区室翻转的区域中富集SCLC新出现或强度增加的TAD边界，而A到B区室翻转的区域中富集SCLC中消失或强度减弱的TAD边界。通过结合转录组数据分析发现，这种不同尺度染色质空间结构的一致变化可能有助于相互加强其对基因表达调控的作用：发生区室与TAD边界一致性改变的基因组区域中，基因表达变化程度最高，单一结构特征改变的区域基因表达变化程度较低。因此，不同尺度的染色质空间结构在SCLC中的一致性改变，可能协同推动SCLC中基因表达异常（图4F）。

图4. A/B区室翻转与TAD边界改变关联分析

在TARGET鉴定的SCLC候选基因中包含已知的SCLC癌基因SOX2，在其附近基因组区域可观察到SCLC中新出现的TAD边界（图5A，黑色箭头处）。同时，在大尺度下，观察到SOX2附近区域的区室也发生了区室B到A翻转（图5A下方，紫色指示区室B，黄色指示区室A），而在小尺度下，SOX2基因启动子区也处于SCLC新出现的染色质环锚定区域（loop anchor）上（图5A，紫色圆圈）。这三种不同尺度上的结构变化均报道与活跃基因表达有关，提示多尺度染色质空间结构改变可能对SOX2表达具有协同激活的倾向。转录组数据显示SOX2的确在SCLC中表达被激活（图5B）。

图5. SCLC和正常细胞中SOX2的染色质结构特征与表达水平

该研究也在18例SCLC病人样本中通过NanoString实验验证了包括SOX2在内的24个候选基因的表达情况，包括SOX2在内的大部分基因的确在SCLC病人中出现显著表达改变（图6）。

图6. SCLC候选基因NanoString验证

综上，该研究通过开发TARGET计算框架，以及对SCLC和对照细胞进行转录组和三维基因组测序分析，探究了SCLC中染色质空间结构变化与基因异常表达之间的内在关联，揭示了SCLC中多尺度染色质空间结构协同变化，激活癌基因SOX2表达的调控机制（图7）。该研究揭示了染色质三维空间结构改变与肿瘤关键癌基因激活之间的联系，并首次明确阐释了不同尺度染色质空间结构在肿瘤发生中的一致性变化和协同调控趋势。该研究产生的高质量SCLC染色质空间结构（Hi-C）和转录组（RNA-seq）数据为肿瘤三维基因组的相关研究提供了有价值的数据资源。该研究开发的TARGET计算框架为在其它肿瘤中识别与TAD边界异常改变相关的异常表达基因提供重要的计算工具。TARGET源代码及使用说明可访问：https://github.com/birmjiangs/TARGET

图7. 研究框架图示

北京协和医院郭丹副研究员，助理研究员谢秋博士，军事医学研究院助理研究员江帅博士为该论文的共同第一作者，李昊博士、黄昕博士、李雅儒同学参与了该研究，北京协和医院梁智勇教授和军事医学研究院陈河兵副研究员为该文章的共同通讯作者。

原文链接：

doi:https://dx.doi.org/10.1016/j.csbj.2021.11.003

制版人：十一

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