表观遗传保守性揭示结直肠癌祖细胞保留正常结肠的表型可塑性

《Scientific Reports》：Epigenetic conservation infers that colorectal cancer progenitors retain the phenotypic plasticity of normal colon

本刊推荐：为探究结直肠癌(CRC)表型异质性的起源，研究人员通过空间转录组学与基因水平DNA甲基化分析，发现CRC中高表达变异基因具有更保守的DNA甲基化模式。该研究提出"表观遗传变异性与表达变异性负相关"作为表型可塑性量化指标，证实正常结肠的可塑性特征在腺瘤、局部浸润和转移性CRC中均被保留，表明CRC祖细胞具备预先配置的塑性表型，无需大量表观遗传重塑即可快速适应肿瘤微环境。

　　

在肿瘤演化过程中，单个祖细胞如何产生具有显著表型异质性的庞大肿瘤群体，一直是癌症生物学领域的核心谜题。尽管大多数驱动突变是克隆性的，但亚克隆突变多为"过客"突变，难以解释肿瘤内观察到的显著表型差异。越来越多的证据表明，表观遗传机制在塑造肿瘤异质性中扮演关键角色。其中，表型可塑性——即细胞快速可逆地改变表型的能力——被认为可能是推动肿瘤异质化的重要力量。正常结肠隐窝已展现出这种可塑性特征：干细胞与分化细胞具有相似且广泛开放的表观基因组，其基因表达主要受微环境诱导的转录因子调控，而非依赖表观遗传重塑。那么，在结直肠癌(CRC)进展过程中，这种干细胞样的可塑性特征是否得以保留？这正是Kelly Street等人在《Scientific Reports》上发表的最新研究旨在解答的问题。

为了回答这一科学问题，研究团队整合运用了多种前沿技术。他们收集了11例正常结肠（各取4个隐窝）、4例腺瘤和17例结直肠癌（取自肿瘤对侧）的临床样本，通过Illumina EPIC甲基化芯片进行DNA甲基化检测，并采用单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组学(GeoMx Digital Spatial Profiler)分析基因表达。利用配对距离(PWD)量化基因甲基化变异性，并通过Moran's I统计量和偏差(deviance)等指标评估基因表达的空间和整体变异性。此外，通过饱和显微切割和靶向重测序技术绘制了肿瘤亚克隆图谱。

正常结肠隐窝的可塑性

研究人员首先在正常结肠隐窝中定义了表型可塑性的量化特征。他们发现，表达变异性较高的基因倾向于具有更保守的DNA甲基化模式，二者呈现显著负相关(r=-0.47)。

这种"表观遗传变异性与表达变异性负相关"的模式与表观遗传重塑范式截然不同——后者预测高表达变异基因应有更高的甲基化变异性。研究还发现，DepMap必需基因的甲基化模式显著更保守，进一步支持了功能性重要基因维持开放、允许配置的进化选择压力。这种可塑性信号在2岁至82岁的个体中均稳定存在，表明其是结肠隐窝的固有特征而非年龄相关表观遗传漂变的结果。

局部浸润性CRC的可塑性

在局部浸润的CRC"M"中，尽管肿瘤存在腺瘤、浅表性和浸润性等不同表型区域及亚克隆，但基因表达谱在不同表型间高度相似。

与正常结肠一致，必需基因的甲基化更保守，且差异表达基因的甲基化变异性显著低于非差异表达基因。通过空间转录组数据分析，再次观察到甲基化变异性与表达空间变异性(Moran's I)及整体变异性(deviance)间的负相关关系。这些发现提示，尽管CRC"M"已具有局部浸润能力，但其细胞表型的多样化可能仍主要依赖于微环境诱导的可塑性变化，而非大规模的表观遗传重塑。

转移性CRC的可塑性

对于转移性CRC"I"，研究团队观察到了更为复杂的亚克隆结构，包括早期发生转移的红色亚克隆。

尽管该肿瘤中差异表达基因数量更多，但这些基因的甲基化保守程度仍高于非差异表达基因。虽然表达变异性与甲基化变异性整体呈正相关(r=0.076)，但深入分析发现这主要是由于大量低表达、低变异基因的集中所致。高表达变异基因依然呈现甲基化保守趋势，形成独特的"L"型分布模式，表明可塑性特征在转移性CRC中依然得以保留。

scRNAseq数据进一步验证可塑性

为克服空间转录组技术可能低估单细胞水平表达变异性的局限，研究团队整合分析了多个公共scRNA-seq数据集。

结果显示，在正常结肠、腺瘤、原发性CRC及淋巴结转移灶中，甲基化变异性与表达变异性均呈现一致的负相关关系。这一跨平台、跨样本类型的验证强有力地支持了"正常结肠隐窝的表型可塑性在CRC进展全过程得以保留"的结论。

本研究通过创新性地量化表观遗传变异性与表达变异性的相关性，提出了表征细胞表型可塑性的新框架。研究结果表明，结直肠癌祖细胞很可能保留了正常结肠干细胞的表观基因组特征——即预先配置的、开放且保守的 epigenetic 状态，使得其子代细胞能够根据微环境信号快速调整基因表达，而无需进行耗时的表观遗传重塑。这种保留的可塑性为"Big Bang"肿瘤发生模型提供了机制解释：单个具备全部驱动突变和可塑性的CRC祖细胞，能够快速产生具有多种表型的肿瘤群体，甚至可能在原发瘤极早期（如仅10⁴个细胞时）即发生转移。这一发现对理解肿瘤进化动力学具有重要意义，提示肿瘤的侵袭转移能力可能不仅取决于新获得的遗传或表观遗传改变，更可能源于癌变初期所保留的正常干细胞可塑性程度。未来研究进一步阐明可塑性在肿瘤治疗抵抗和预后评估中的作用，将为结直肠癌的防治提供新思路。