Раскрытие транскриптомных и эпигенетических секретов 11 опухолей

В недавнем исследовании, опубликованном в ПриродаИсследователи создали панопухолевый транскриптомный и эпигенетический атлас, используя информацию о доступности одноядерного хроматина и сопоставленные данные секвенирования рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Исследователи изучили пространственно-временную динамику деконденсации хроматина и связывания транскрипционных механизмов при раке, сосредоточив внимание на эпигенетических факторах и их взаимодействии с генетическими факторами и факторами окружающей среды.

Фон

Доступность хромосом имеет решающее значение для генетической экспрессии и клеточной идентичности, а изменения могут привести к возникновению, росту и распространению рака. Эпигенетические переменные, которые регулируют генетическую экспрессию, межклеточные взаимодействия, определение линии и устойчивость к лечению, могут быть идентифицированы с помощью анализа обогащения.

Понимание того, как эпигенетические факторы взаимодействуют с экологическими и генетическими факторами, имеет решающее значение для развития биологии и терапии рака. Крайне важно исследовать архитектуру хроматина в опухолях, изменения в доступности хроматина во время крупных раковых переходов, а также связь между доступностью хроматина, генетическими изменениями и паттернами транскрипции.

Об исследовании

В настоящем исследовании исследователи разработали интегрированную мультиомную карту 11 типов рака на основе данных более чем 200 случаев.

Более миллиона клеток рака, включая рак толстой кишки, аденокарциному протоков поджелудочной железы (PDAC), меланома кожи, исследовали рак эндометрия матки, рак яичников и опухоль молочной железы.

Были проведены одноядерное секвенирование хроматина, доступного транспозазе (snATAC-seq), а также парное одноядерное или одноклеточное секвенирование РНК. Связи области доступного хроматина (ACR) с геном оценивали с помощью корреляции.

Метод интерференции и кластеризации одноклеточной регуляторной сети SCENIC использовался для описания генов-мишеней транскрипционных факторов в каждой когорте рака, чтобы лучше понять регуляторы транскрипции, участвующие в формировании рака, и найти регуляторные связи между транскрипционными факторами (ТФ) и их генами-мишенями, называемые как регулон.

Расщепление под мишенями и высвобождение осуществляли в клеточной линии U251 GBM с использованием нуклеазного анализа (CUT&RUN), профилируя прямое связывание ядерного респираторного фактора 1 (NRF1) с промоторами гена-мишени.

Транскрипционные программы, участвующие в метастазировании, были исследованы путем сравнения показателей доступности мотива TF в первичных и метастатических клетках четырех различных видов рака. Активность GATA-связывающего фактора 6 (GATA6) была снижена при метастазах PDAC с использованием генетически сконструированных животных моделей PDAC, полученных в результате мутации KrasG12D и делеции белка 53, связанного с трансформацией (Trp53).

Исследователи изучили пути, богатые дифференциально доступными областями хроматина (DACR), которые были обнаружены как в метастатических, так и в образцах первичных опухолей. Геномные характеристики соматических мутаций и вариаций числа копий (CNV) были выполнены на 176 образцах опухолей с доступными данными полноэкзомного секвенирования (WES).

Для анализа и количественной оценки интересующих маркеров изображения образцов были разрезаны на многочисленные сегменты, деконволютированы и объединены.

Полученные результаты

Исследование показало эпигенетические факторы, связанные с переходом рака, некоторые из которых проявляются при некоторых злокачественных новообразованиях, а другие специфичны для заболевания. Начало рака было связано с эпигенетически измененными путями, такими как TP53, гипоксия и передача сигналов фактора некроза опухоли (TNF), тогда как метастатический переход был связан с эстрогенным ответом, эпителиально-мезенхимальным переходом и апикальным соединением.

В основных и метастатических раковых клетках важные пути, определяемые дифференциально доступными областями хроматина (DACR), подразумевают роль в метастазировании. На уровне когорты основными путями, обогащенными метастазами, были эпителиально-мезенхимальный переход (ЕМТ), миогенез, апикальное соединение и ранний эстрогеновый ответ.

В PDAC были обнаружены энхансеры, связанные с генами филамина B (FLNB), прикрепленного гомеобокса 1 (EN1), виментина (VIM) и фактора роста эндотелия сосудов A (VEGFA), что демонстрирует значительную эпигенетическую регуляцию.

Экспрессия онкогенов, таких как рецептор эпителиального фактора роста (EGFR), гомолог вирусного онкогена крысиной саркомы Ki-ras2 Кирстен (KRAS), гомолог 2 вирусного онкогена птичьего эритробластного лейкоза v-erb-b2 (ERBB2), катенин бета 1 (CTNNB1), а фактор мезенхимально-эпителиального перехода (MET) был связан с доступностью энхансера, что указывает на сложную эпигенетическую регуляцию этих генов.

При плоскоклеточном раке головы и шеи (HNSCC) EGFR имел наибольшее количество связей между энхансером и геном. Существовала существенная связь между доступностью энхансера и экспрессией генов, что указывает на сотрудничество между эпигенетическими и генетическими факторами.

Доступность энхансера коррелировала с экспрессией транскрипта сильнее, чем доступность промотора, что показывает важность энхансеров в контроле экспрессии генов. Значительная часть связей ACR-ген находилась между генами и областями энхансеров, что подтверждает специфичность энхансеров к тканям и типам рака в контроле экспрессии генов.

Исследователи также изучили взаимосвязь между эпигенетическими и генетическими факторами в образцах опухолей, выполнив генетические характеристики соматических мутаций и вариаций числа копий (CNV). Корреляции между эпигенетическими изменениями и генетическими мутациями возможны в рамках определенных путей.

Выводы

В целом, результаты исследования показали атлас эпигенетической регуляции на протяжении всего перехода рака в 11 типах опухолей. Атлас дает последовательную картину типов клеток, различных доступных энхансеров и промоторов, эпигенетически регулируемых генов, связанных с раком, и ТФ, имеющих решающее значение при ключевых переходных стадиях рака.

В работе подчеркивается использование ТФ в качестве прогностического индикатора и дает тонкое представление о биологии рака, такой как специфичная для рака эпигенетическая архитектура, взаимодействие между нормальными и злокачественными клетками и первичные метастатические трансформации в пределах одной и той же линии.

Различия в доступности хроматина между основным и метастатическим раком могут указывать на подходы к остановке злокачественных преобразований. Пространственно-временная динамика деконденсации хроматина и связывания транскрипционных механизмов имеет решающее значение для генеза, развития и метастазирования рака, но наше понимание их в настоящее время ограничено.

Активность регуляторных элементов или факторов транскрипции, связанных с возникновением, развитием и метастазированием рака, известных как эпигенетические драйверы, может объяснить ранее неизвестные пути возникновения опухолей.